Прохоров и Басов — как родились лазеры.

Когда физики в цене

Четверо пассажиров приземлились в аэропорту Стокгольма на два часа раньше, чем предполагалось. Их никто не встречал. Никто! Хотя предшественники предсказывали им торжественную, даже бурную встречу.

Прибывшие не огорчились — путешественник всегда подвластен воле случая. Особенно если, экономя время, он прибегает к услугам авиации.

Стюардесса проводила их в небольшую уединенную комнату и, забрав паспорта, предложила располагаться и отдыхать.

Минут через пятнадцать дверь резко отворилась, в комнату ворвался задыхающийся мужчина и со словами: «Я первый!» — свалился в кресло.

Несколько секунд он тяжело дышал, не произнося ни слова, потом встал, поздоровался и вынул репортерскую карточку.

- Разрешите задать вам два вопроса, — сказал он. — Во-первых, бывали ли вы раньше в Швеции? Во-вторых, на что вы потратите деньги?

Приезжие переглянулись. Один из них ответил:

- В Швеции мы не бывали. Что же касается денег, это не проблема. Ведь с нами жены.

Второй кивнул головой в знак согласия.

Репортер быстро записал ответы, щелкнул несколько раз фотоаппаратом, поблагодарил и исчез.

Вскоре возвратилась стюардесса, торжественно неся четыре паспорта и букет цветов.

- Все в порядке, — сказала она с очаровательной улыбкой, — вы можете ехать в Гранд-отель.

Получение багажа заняло немного времени. Приезжие сели в такси и покинули аэропорт. Пожалуй, они были даже довольны, что их никто не встречал. Торжественные встречи всегда утомительны.

Города имеют нечто общее с людьми. Каждый, кроме, может быть, маленьких американских городов, отмечен своими индивидуальными чертами. Это, конечно, не исключает и сходства. Стокгольм расположен на островах и обоих берегах пролива, соединяющего озеро Меларен с заливом Сальтшен. Это сообщает ему некоторое сходство с Ленинградом и Венецией. Скорее с Ленинградом, решили приезжие, с Ленинградом его роднит Балтийское море и северное небо. Правда, скалистые берега придают суровое своеобразие облику этого города и отличают его от расположенного на низменных островах Ленинграда.

Дорога промелькнула быстро, и вот перед ними выросло величественное старинное здание. Гранд-отель! В холле их уже ждало несколько представительного вида господ. Последовали приветствия, вопросы и, наконец, пожелания спокойного отдыха.

Но отдохнуть не пришлось. Телефонный звонок, и уже через полчаса на них обрушилась первая пресс-конференция.

— Дамы и господа, — представил приезжих посол, — перед вами прибывшие в Стокгольм для получения Нобелевской премии советские ученые, члены-корреспонденты Академии наук Советского Союза профессор Александр Михайлович Прохоров (Прохоров слегка наклонил голову — очень высокий, худощавый, — осветил зал веселой, немного озорной улыбкой), профессор Николай Геннадиевич Басов (тот тоже был не малого роста, но более массивного сложения, над стеклами очков поднимался высокий лоб, он радушно улыбнулся, как будто перед ним была не толпа репортеров, а несколько пришедших в гости друзей). С ними их жены — Галина Алексеевна Прохорова и Ксения Тихоновна Басова. Они готовы ответить на ваши вопросы.

От традиционных: «Бывали ли вы раньше в Швеции? Как вам понравился Стокгольм?» — перешли к вопросам о научных планах новых лауреатов, о том, как они оценивают перспективы квантовой электроники. Но репортеров это не удовлетворило.

Они искали «изюминку». И кто-то из них обратился к Басовой: понимает ли она что-нибудь в работе мужа?

Молодая темноволосая женщина с высокой прической, медленно поднимаясь, казалось, старалась выиграть время. Но в следующее мгновение она обвела присутствующих живыми блестящими глазами и, слегка усмехнувшись, сказала:

— Это нелегкий вопрос. Дело в том, что мой муж шел по моим стопам. Зал замер. Затихли даже кинокамеры.

— Я физик. Будучи студенткой, в своей дипломной работе я изучала молекулярные пучки. И вот мой муж вместе с профессором Прохоровым создал квантовый генератор, в котором основную роль играет молекулярный пучок.

Все дружно рассмеялись и зааплодировали. Видавшие виды журналисты оценили ее находчивость.

- А потом? — раздались голоса.

- Затем я приступила к исследованию полупроводников. И что же? Мой муж предложил использовать полупроводники для создания лазеров и вскоре построил различные типы полупроводниковых лазеров. Судите сами!

- Значит, часть Нобелевской премии по праву принадлежит вам! — в тон ей заметил кто-то из зала.

Репортеры были в восторге. Они получили свою порцию «изюма». Но Прохорову это не избавило от такого вопроса. Галина Алексеевна призналась, что ее бедняге мужу оставалось рассчитывать только на свои силы; она, увы, географ и не могла оказать ему столь существенной поддержки. Зато их сын Кирилл догоняет отца во всех отношениях — он такого же роста и изучает физику в Московском университете.

Вечер закончился в теплом кругу сотрудников советского посольства и их семей. Гости рассказывали последние московские новости. Хозяева знакомили их с предстоящей церемонией.

Здесь было с чем знакомить. Ритуал вручения Нобелевских премий, имеющий более чем 60-летнюю историю, оброс бахромой деталей, которыми пренебречь невозможно. Вручение происходит ежегодно 10 декабря, в день смерти Альфреда Нобеля, шведского ученого-химика и предпринимателя, известного тем, что он изобрел динамит, провел детство в России, владел русским языком так же хорошо, как шведским, немецким, французским и английским. Но широкую популярность Нобель приобрел только посмертно. Он завещал 31 миллион крон на выдачу премий за лучшие работы в области физики, химии, физиологии, медицины и литературы, и теперь миллионы людей обсуждают очередное вручение его премий. Церемония с годами превратилась в десятидневный праздник, веселый, остроумный, но движимый жесткими традициями и строгой режиссурой. В нем принимают участие Академия наук и королевский двор, студенты и вся столица. Заранее заготовленное расписание не оставляет нобелевским лауреатам ни секунды свободной. Их время, одежда, место за столами бесконечных банкетов — все рассчитано заранее до миллиметра, до крапинки на галстуке. Тут не допускается ни грана импровизации и самодеятельности.

Для приезжих многое в этом ритуале не имеет значения и выглядит как чудачество гостеприимных хозяев, однако для шведских участников торжеств все исполнено важного и многозначительного смысла. Как близко к королю и королеве их посадят в этом году, кто будет их соседями по столу и партнерами в танцах, — это для стокгольмского общества слишком существенно, чтобы превратиться в шутку.

Первой задачей лауреатов, и задачей, как оказалось, нелегкой, учитывая рост Прохорова, было достать напрокат фраки. Профессор Таунс, американец, разделивший с Басовым и Прохоровым премию и хлопоты по обзаведению фраками, как человек, более натренированный по части светских условностей, взял напрокат даже цилиндр, надев его один-единственный раз — по пути от гостиницы до автомобиля и от автомобиля до Концерт-хауза, в котором происходило вручение премий. Меланхоличный и чопорный на вид, но остроумный и непосредственный по натуре, Таунс в этом преувеличении традиций дал выход своему юмору. И вот наступило 10 декабря 1964 года.

В переполненный зал роскошного Концерт-хауза под звуки фанфар входит высокий, статный старик — король Швеции. Затем фанфары приветствуют лауреатов. Их торжественно сопровождают выдающиеся шведские ученые. Басов, Прохоров и Таунс идут тем же путем, которым шли здесь Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор и другие замечательные физики нашего времени. Пожалуй, список нобелевских лауреатов может служить неплохим пособием для изучения истории физики нашего века!

Наконец все успокаиваются. Дамы перестают шуршать своими вечерними туалетами. Перестают шептаться даже жемчуга и бриллианты в первых рядах партера. Председатель Нобелевского комитета, сам нобелевский лауреат, профессор Арне Тиселиус, поднимается на трибуну.

— Комитету по Нобелевским премиям, — начинает он свою речь, — часто приходится получать письма от неизвестных в мире науки лиц, как из Швеции, так из-за рубежа. Многими из подобных посланий, конечно, можно пренебречь. Некоторые из них исходят от людей, попросту не совсем нормальных. Одни пишут с целью рекомендовать на Нобелевскую премию самих себя, другие — своих друзей. Мне вспоминается случай, когда автор одного из писем просил присудить ему Нобелевскую премию в связи с открытым им лекарством против рака. Однако никаких подробных данных о лекарстве и его действии он сообщить не пожелал. Ни в коем случае до получения премии! В других письмах среди прочих достоинств кандидата рекомендующие особо подчеркивают его человеческие добродетели. «Вы бы только взглянули, какая трогательная картина, когда он и его внуки играют в саду!» — добродетель, которую Комитет по Нобелевским премиям никак не может принять во внимание.

Увы, эта шутка была единственным, что мог усвоить каждый присутствующий из всех произнесенных в этот вечер речей. Важные ученые, выступившие вслед за председателем, вовсю пользовались правом говорить о своей науке непонятно.

Лауреаты, сидевшие лицом к залу, видели, как с достоинством скучала старая королева, на которую уже наложила печать неизлечимая болезнь; как томились ее фрейлины, для которых доклад, произнесенный на родном шведском языке, был не более понятен, чем средневековая латынь; как переглядывались чуть ли не полтора десятка родственников, прихваченных с собой англичанкой Дороти Ходжкин, третьей женщиной, получившей после Мари и Ирэн Кюри Нобелевскую премию.

Когда кончились речи, все вздохнули с облегчением и три лауреата-физика один за другим подошли к Адольфу VI.

Король обратился к Басову, Прохорову и Таунсу с кратким приветствием и с доброй улыбкой вручил им диплом и медаль лауреатов Нобелевской премии. Интересно, понимал ли он, за что все-таки вручал эти 50 000 долларов? Может быть, и понимал, ведь это необыкновенный король, король-профессор, совмещающий свои королевские обязанности с научной работой (каждый год он берет трехмесячный отпуск для участия в археологических раскопках!).

Пожалуй, профессор Эдлен, который докладывал об открытии Басова, Прохорова и Таунса, допустил ошибку, произнеся сугубо научную речь. Наверно, лучше было бы дать присутствующим почитать фантастический роман Алексея Толстого «Гиперболоид инженера Гарина», но разъяснить при этом, что действительность превзошла фантазию — мощный световой луч не только получен, но, вместо того чтобы разрушать заводы и дома, убивать и калечить, он лечит людей, помогает в тончайших операциях, обрабатывает детали, отсчитывает самое точное время, исследует планеты, управляет космическими кораблями. Что лучи смерти по-прежнему и навсегда останутся мифом. Это обещают физики, которые держат их в своих руках. Они дарят людям созидающие лучи.

Но ученые остаются учеными, и речь профессора Эдлена оказалась понятной лишь немногим его коллегам. А почему бы ему в нарушение традиций не рассказать о том, как возникло творческое содружество Басова и Прохорова, что они за люди? Вместо всяких мудреных терминов вроде «микровайв эмплификэйшн бай стимулейтед эммишен оф рэдиэйшен», что частично описывает суть изобретения лауреатов Нобелевской премии, он мог бы начать свою речь, скажем, так:

— Ваше величество, ваши королевские высочества, уважаемые дамы и господа!

Физики ныне в цене. Цена на них подскочила сразу после войны. В Москве распределение выпускников-физиков в те годы напоминало нечто среднее между тетеревиным током и рыцарским турниром. Соперники — представители исследовательских институтов и конструкторских бюро — сражались за каждого выпускника. Говорят, что однажды и Прохоров томился в коридоре МИФИ (Московского инженерно-физического института), у дверей, за которыми решалась судьба его дипломника Басова, и соображал, как бы заполучить его на работу к себе в лабораторию. Прошу прощения, я слышу вопрос: «Почему томился Прохоров? Почему ему так хотелось взять Басова к себе на работу?» Ну, во-первых, они подружились, разница в возрасте дипломника и руководителя была невелика, во-вторых, у них уже возникли общие идеи и, в-третьих, их объединяло и фронтовое прошлое. Прохоров прошел войну разведчиком (хотя я и не понимаю, как ему это удалось при его росте!), а когда вернулся и защитил кандидатскую диссертацию, начал работать на ускорителе заряженных частиц — синхротроне, незадолго до этого изобретенном академиком Векслером и построенном в Физическом институте АН СССР, или попросту ФИАНе.

Тут к нему и присоединился студент-фронтовик Басов. Кстати, Басов на фронте был фельдшером, так что, друзья, он одновременно доктор физики и фельдшер медицины. После войны он поступил в МИФИ и свою дипломную работу выполнял у Прохорова в ФИАНе на уже известном вам синхротроне.

И вот, когда Прохоров нервно разрабатывал один план боевой операции за другим, ему пришла в голову гениальная идея. Говорят, и я думаю, этому можно верить, он додумался обменять Басова на синхротрон! Решил подарить МИФИ синхротрон, надеясь, что МИФИ подарит ему Басова.

Милая фрейлина в четвертом ряду, не падайте в обморок, мистер Прохоров не разорился. Ему даже не пришлось тратить деньги на этот подарок. Просто он уговорил дирекцию ФИАНа отдать синхротрон. Пускай владеют им студенты. Конечно, может быть, это легенда, но факт остается фактом: Басов остался работать в ФИАНе, синхротрон переехал, правда, не в МИФИ, а в МГУ. И если перефразировать известное изречение «Париж стоит мессы», то Басов стоил синхротрона. В результате учитель и ученик сделали величайшее открытие, а ФИАН получил сразу двух лауреатов Нобелевской премии. Кстати, ФИАН ухитряется поставлять лауреатов пачками, вспомните Тамма, Франка и Черенкова, которых мы также недавно здесь приветствовали…

Ничего подобного уважаемый профессор, конечно, не говорил. Мне это просто почудилось, когда Александр Михайлович и Николай Геннадиевич рассказывали мне по приезде из Стокгольма о нобелевских торжествах, о юбилейных речах, произнесенных там. И я подумала: что же может извлечь из этих речей простой смертный, что узнает он о действительно замечательном открытии, о приборах, которые мы называем странными именами — лазеры и мазеры? И поняла, что шведская столица, чествуя от всей души советских физиков Басова и Прохорова, право же, не узнала, с какими замечательными людьми она познакомилась. Не больше, по-видимому, узнали шведы и о личности Таунса.

А ведь что может быть увлекательнее, чем судьбы выдающихся людей и незаурядных идей, чем история замысла и созревания мысли, предчувствие открытия? На какой почве укрепились корни открытия, корни таланта его авторов, и, наконец, что же такое сами мазеры-лазеры, чем обогатили они человечество, чем привлекли такое острое внимание (не такое оно падкое на сенсации в двадцатый век, человечество!)?

Тогда-то у меня и возникло решение написать книгу о том, что узнала я о вновь рожденной науке от Александра Михайловича и Николая Геннадиевича, услышала от их сотрудников и друзей, что увидела в их лабораториях. Я знаю, это будет нелегкое чтение — это не роман о любви, не рассказ о путешествиях. А впрочем, может, и о путешествиях… «Наше проникновение в мир атомов, до сих пор скрытый от глаз человека, несомненно, является смелым предприятием, которое можно сравнить с великими, полными открытий кругосветными путешествиями и дерзкими исследованиями астрономов, проникших в глубины мирового пространства», — сказал выдающийся физик Нильс Бор.

Мы с вами предпримем путешествие к ничем пока не оправдавшим себя гипотезам и совершенным, как окружности, теориям, в глубь овеществленных идей — в сердце «живых» приборов с их прозой (с точки зрения одних) и с их поэзией (в чем убеждены другие).

Мы не будем долго задерживаться на описаниях характера ученых, их внешности, обстоятельствах жизни. В истории открытий, думается, они не играют решающей роли. Правда, французский ученый Блез Паскаль утверждал, что «будь нос Клеопатры короче, переменился бы весь облик Земли». Вряд ли. Мне кажется, самое главное — это ход мысли ученого. Стиль его разума так же неповторим, как манера письма художника, как особенность воображения композитора. Своеобразие почерка, острота интуиции, необычная логика мысли — вот что приводит к открытиям, что действительно меняет облик окружающего нас мира.

Корни

Представьте себе диаграмму, изображающую прогресс человечества. Она начинается в неведомые доисторические времена с изготовления примитивных орудий, освоения огня, приручения животных, земледелия. Каждый из этих важнейших этапов развития человека отмечен на диаграмме маленькой ступенькой. Кривая, составленная из ступеней и пологих участков, изображающих те периоды в истории, когда не происходило ничего существенного, медленно поднимается вверх.

С изобретением письменности и календаря пять- шесть тысяч лет назад прогресс заметно ускорился. Крутой подъем античного периода сменяется унылым равнинным прочерком средневековья, а за ним новым взлетом — эпоха Возрождения. Кривая идет вверх все круче и круче, и, глядя на нее, невольно вспоминаешь Ильфа и Петрова. Помните? У них, правда, по другому поводу, сказано:

«… нарастание… напоминало рукопись композитора Франца Листа, где на первой странице указано играть «быстро», на второй — «очень быстро», на третьей — «гораздо быстрее», на четвертой — «быстро, как только возможно» и все-таки на пятой — «еще быстрее!».

Разница состоит лишь в том, что прогресс человечества не может, как Рапсодия Листа, иметь конца и, если не наступит какой-либо катастрофы, на каждой следующей странице будет указано: «Еще, еще, еще быстрее!» И для того чтобы диаграмма была доступна обозрению, ее придется изображать, как говорят ученые, в логарифмическом масштабе, который сжимает изображение по мере того, как растет оригинал. И если теперь кривая покажется нам гладкой, то в этом виноват масштаб. Подойдем ближе, и мы увидим, что она по-прежнему состоит из отдельных ступеней, соединенных более пологими участками. И каждая ступенька соответствует отдельному крупному открытию или изобретению.

Но если взглянуть на диаграмму сквозь увеличительное стекло, то и пологие участки окажутся испещренными многочисленными маленькими пиками, ибо в наше время каждый день отмечен сотнями изобретений и законченных научных работ.

Законченная работа! Как много стоит за этими двумя словами! Кто может передать все напряжение, в котором находились ее авторы? Как определить, что послужило первым толчком к ее началу? Почему за нее взялся именно этот человек или эти люди?

Как далеко можно проследить цепь причин? Какая доля заслуг принадлежит предшественникам, учителям, наконец, родителям? Да и следует ли пробовать разобраться в родословном древе отдельного открытия, в котором величественная крона последствий столь же интересна, как и незримое переплетение корней?

Я думаю, следует. Хотя пути успеха и тупики неудач каждой отдельной работы обычно индивидуальны, из них, особенно из неудач, можно извлечь много поучительного.

Начнем нашу историю с 1939 года, когда в Физическом институте Академии наук СССР, который помещался в то время на Третьей Миусской улице Москвы, появился выпускник Ленинградского университета Саша Прохоров. Он хотел заниматься радиофизикой и включился в исследования распространения радиоволн, которые проводились под руководством ученых-друзей — Леонида Исааковича Мандельштама и Николая Дмитриевича Папалекси.

Мандельштам и Папалекси — это целая эпоха в науке. Это и замечательная школа. А в науке имя учителя, время и место рождения зачастую оказывают на судьбу таланта не меньшее влияние, чем в искусстве. Вряд ли из городка, где никто не играет в шахматы, выйдет шахматный гроссмейстер. Пианисты школы Игумнова, скрипачи школы Столярского — это пароль для музыкантов во всем мире. Когда Ойстрах еще не был Ойстрахом, он уже был учеником Столярского. Вы слышите: «Он — ученик Нейгауза», или: «Он — ученик Ямпольского»; и, узнав, из какого гнезда вылетел птенец, вы понимаете, чего можно от него ждать, каков стиль его игры, насколько глубоко его искусство, сколь совершенна его техника.

В той же мере это относится к научным школам. Физик из Геттингена, Кембриджа или из Копенгагена — такая рекомендация в первой четверти нашего века открывала ученым двери любой лаборатории мира. И вероятно, надо с особой скрупулезкостью искать, чтобы обнаружить случай, когда такая рекомендация себя не оправдала. Этого почти не бывает. Люди большого интеллекта имеют особый дар, помогающий им развить в учениках все редкие качества ума и таланта, и особый «нюх» на одаренность, незаурядность, яркую индивидуальность. Это будет цениться во все времена и во всех странах, пока живут здравый смысл и благородство человечества.

И Ландау не нужно было писать длинные рецензии на работы своих учеников. Ему достаточно было начертать: «Одобряю. Ландау» — и все понимали, что к чему.

Ученики Тамма, ученики Иоффе, нужно ли к этому что-либо прибавлять, если каждый, кто читает газеты, кто слушает радио, почти ежедневно слышит об открытиях, сделанных советскими учеными, принадлежащими к этим школам. О них пишутся и будут писаться книги. И каждая расскажет о целой плеяде физиков с особым почерком и хваткой, о целой охапке проблем, которые удалось решить с только им присущим блеском и остроумием.

Но сегодня мы начали разговор о школе Мандельштама и Папалекси, той школе советских физиков, к которой имеет счастье причислить себя один из героев нашей книги — Прохоров.

Ученик Мандельштама и Папалекси — это уже давно звучит так же громко, как в будущем, мы надеемся, будет звучать звание «ученик Прохорова». Во всяком случае, Басов — блестящее тому начало. Но рассказ о нем еще впереди.

Вернемся, однако, к началу нашего века, или, вернее, к самому концу прошлого.

Леониду Мандельштаму исполнилось 16 лет, когда весь мир облетела сенсационная новость об удивительных опытах русского ученого Александра Степановича Попова. Подросток решил стать ученым. И, окончив гимназию, Мандельштам поступает на физико-математический факультет Новороссийского университета.

Он был горячим, увлекающимся юношей. И конечно, принял самое активное участие в студенческом революционном движении. И был исключен без права поступления. Пришлось доучиваться за границей. Он поступил в Страсбургский университет. Здесь неизгладимое впечатление от изобретения Попова подкрепилось тем увлечением, с которым его учитель профессор Браун занимался усовершенствованием радиотелеграфии.

Не удивительно, что Леонид Исаакович полностью погрузился в эту новую область науки и после окончания университета посвятил себя теоретическим исследованиям радиоприемных и радиопередающих устройств. Он участвовал в первых опытах по передаче радиоволн на большие расстояния на Балтике, а тогда рекордным расстоянием было 150 километров!

Вскоре он делает свое первое изобретение в области радио — то была так называемая «слабая связь» (особая связь антенны с приемником), которая и те? перь широко применяется в радиотехнике. Это изобретение ознаменовало собой целый этап в истории развития радиосвязи и сделало имя Мандельштама широко известным среди радиоспециалистов.

А затем- Леонид Исаакович в самое короткое время выполняет целый ряд сложных исследований в области электромагнитных колебаний применительно к радиотехническим устройствам и в 1902 году, в возрасте 23 лет, защищает диссертацию и получает степень доктора натуральной философии Страсбургского университета.

Постепенно от электромагнитных колебаний и волн в свободном пространстве Мандельштам переходит к изучению взаимодействий между полями и веществом, к исследованию прохождения света через различные среды, что через четверть века привело его и академика Г. С. Ландсберга к величайшему открытию, открытию комбинационного рассеяния света. Можно представить, какого экспериментального искусства они достигли и сколь глубока была их интуиция, если им удалось заметить, конечно, не глазом, а удивительно тонко сконструированными приборами, что вещество ухитряется поставить свое «клеймо» на проходящий сквозь него луч света.

И оказалось, что у каждого вещества своя метка, свой росчерк пера! Мандельштам и Ландсберг создали целую науку, позволяющую расшифровывать эти письмена, и дали промышленности способ тонкого анализа самых сложных смесей, который теперь применяется на заводах и в лабораториях всего мира.

В этой работе четко проявился почерк Мандельштама — идти от глубокой теории к промышленному прибору, и эту черту он прививал своим ученикам, а его ученики своим, и только на такой почве смогли появиться впоследствии удивительные приборы — лазеры и мазеры, рожденные из синтеза сложнейшей теории и искуснейшего эксперимента.

Возможно, именно эта особенность Мандельштама и стала залогом дружбы с другим ученым такого же диапазона, Николаем Дмитриевичем Папалекси. Они были ровесниками (Мандельштам родился в 1879 году, Папалекси — в 1880 году). Оба увлекались радиотехникой. Подружились еще на студенческой скамье в Страсбурге. И их жизнь и работа так переплелись, что посмертное собрание сочинений Мандельштама в существенной части состояло из совместных работ с Папалекси. Зато впоследствии составители собрания трудов Николая Дмитриевича были в затруднении. Им нужно было либо почти полностью повторить уже проделанную работу, либо том самостоятельных работ Папалекси считать продолжением пяти совместных. Эти замечательные люди дружили и работали вместе 30 лет и, начав с элементарных опытов по передаче радиоволн, прошли с наукой о колебаниях до современной радиофизики. Это один из редких примеров того, как судьба ученых и созданная ими наука переплелись и корнями и ветвями.

Замечательные человеческие качества Мандельштама и Папалекси были примером их ученикам.

Николай Дмитриевич, зная, как трудно Мандельштаму отрываться от захватившей его идеи, от теоретических исследований, брал на себя всю тяжесть внедрения их совместных работ в жизнь. И дело было не в особой склонности Николая Дмитриевича к практическим делам. Просто он видел, рассказывает их ученик Сергей Михайлович Рытов, что эта часть деятельности непосильна для Мандельштама. И из чувства глубокой привязанности к другу он старался разгружать Мандельштама от дел, которые были тому в тягость.

— Папалекси органически не мог оставлять работу незаконченной и чувствовал себя обязанным довести ее до завершения, — вспоминает Рытов. — Ощущение же завершенности возникало у него лишь тогда, когда плодом теории и эксперимента являлось не только выяснение вопроса, но и практическое применение открытия, непосредственный выход в технику. И безусловно, благодаря этой черте Папалекси, их научное сотрудничество с Мандельштамом привело к таким выдающимся практическим результатам.

Конечно, все это отрывало Николая Дмитриевича от лабораторной работы и требовало много сил. Особенно тяжелым был период, когда оба в самом начале первой мировой войны вернулись на родину и на почти пустом месте создавали отечественную радиопромышленность. Необходимо было организовать радиосвязь с союзниками. Но без радиоаппаратуры сделать это было невозможно, а электронных ламп в России еще не было. Папалекси дневал и ночевал на заводе, и вскоре появились «лампы Папалекси», предвестники отечественной радиоэлектроники. На этих первых лампах были смонтированы усилители и генераторы, а из них созданы пеленгаторные установки и связные радиостанции. А потом под руководством Папалекси были разработаны первые радиоприемники для армейской и морской авиации, для подводного флота. Николай Дмитриевич сам проводил испытания на подводных лодках и летал с аппаратурой на самолетах. Много дней и ночей на заводах, месяцами в дальних экспедициях и вместе с тем — чтение лекций и большая теоретическая и экспериментальная работа.

И дело было совсем не в таком уж железном здоровье. Сила и выносливость отнюдь не достались ему от рождения. Наоборот, в детстве здоровье его было слабым, он часто болел, и лечение не приводило к радикальному улучшению, пока, наконец, он сам не взялся за это дело. Он начал систематически заниматься спортом и однажды даже принял участие в происходящих в Харькове велосипедных гонках.

Но непомерная нагрузка и трудности первых лет революции снова подорвали здоровье Николая Дмитриевича. В двадцатых годах врач, лечивший его от последствий недоедания и от туберкулеза желез, предсказал ему лишь месяц жизни. Но он выжил и снова воспитал в себе замечательную выносливость, поражавшую во время экспедиций и испытаний его более молодых сотрудников.

— Папалекси был прекрасным спортсменом, — рассказывает Рытов, — альпинистом, конькобежцем, велосипедистом, любителем лыж.

Все это помогало Папалекси нести на своих плечах почти все бремя практических завершений совместных работ. Но была и еще одна причина, из-за которой Николай Дмитриевич старался освободить для Мандельштама больше времени. Леонид Исаакович обладал одним незаурядным талантом. Он был превосходным учителем. Он умел учить мыслить. А что может быть более ценным, чем этот дар? Счастлив тот, кому удается встретить в жизни настоящего учителя — в школе, в университете, просто на жизненном пути.

— Преподавание было для Леонида Исааковича существенной и неотъемлемой частью его научного творчества, — вспоминал Папалекси. — У него не было границы между исследованием и преподаванием. Хотя со свойственной ему скромностью он никогда не ставил целью излагать в лекциях содержание собственных работ, его преподавание было насыщено теми идеями и вопросами, которые лежали в основе его исследований. Лекции Леонида Исааковича были яркой и откровенной демонстрацией глубокого процесса физического мышления. В них было видно, как физик спотыкается о трудности, как на его пути накапливаются парадоксы и противоречия и как ему удается — иногда ценой умственного подвига, отказа от самых укоренившихся в человеческом мышлении привычек — высвободиться из противоречий и подняться на недосягаемую ранее высоту, откуда открываются новые горизонты.

Ни одна деталь в лекциях Мандельштама не была пресной, безжизненной, в каждом вопросе он умел находить и показать аудитории его особую остроту и прелесть. Он не только принуждал посредством безупречной логики соглашаться со своими утверждениями, но старался найти общий язык со слушателями, убедить их «изнутри», устранить те трудно формулируемые психологические протесты, которые в физике так часто мешают пониманию. Все это вместе взятое создавало какую-то необыкновенную эмоциональную насыщенность, благодаря которой все услышанное от Леонида Исааковича доходило до самых глубин сознания.

Прослушав однажды доклад Мандельштама о радиоинтерферометрии, доклад на сугубо специальную тему, восхищенный академик А.Е. Ферсман передал свои впечатления одним словом: поэма!

Вот какую школу прошли ученики и сотрудники Мандельштама и Папалекси, сами ставшие со временем академиками: А. А. Андронов, Г. С. Ландсберг, М. А. Леонтович, И. Е. Тамм и многие другие выдающиеся физики. Вот в какую замечательную школу попал в 1939 году выпускник Ленинградского университета, худой и долговязый юноша Саша Прохоров, придя в лабораторию колебаний, возглавляемую Мандельштамом и Папалекси. В лабораторию, которой он в свое время будет руководить.

Здесь все были проникнуты стремлением к познанию основных закономерностей, объединяющих между собой разнообразные явления. Главным руководством служила общая теория колебаний, которая в то время находилась в стадии построения своей наиболее сложной — нелинейной части. Эта теория позволяла с единой точки зрения изучать работу лампового генератора радиоволн и работу человеческого сердца, распространение радиоволн и распространение звука, таинственный Люксембургско-Горьковский эффект и прохождение света через кристаллы. Всего не перечесть.

Здесь учили пользоваться безмерной мощью математики, но старались по возможности привлекать наиболее простые и наглядные методы. Через оптические явления перебрасывались мосты в мир атомов, в лишь недавно освоенную квантовую область. Отсюда проходили пути к предельным скоростям, в мир теории относительности. И главное, тут учили замыкать связь между идеей и ее техническим воплощением. Словом, Прохоров попал в одну из самых передовых школ современной физики, и он пришелся здесь ко двору. Теория перемежалась с экспериментом, лабораторная работа сочеталась с экспедициями. Белое море, Кавказ, Рыбинское море.

Но пробыл он в лаборатории недолго. Грянула война, и ему пришлось сменить романтику научного поиска на будни армейской разведки. Вместе с ним ушли и другие. Многие не вернулись. Советский народ дорого заплатил за свою великую победу.

Прохоров возвратился. Тяжелое ранение надолго приковало его к госпитальной койке. Глубокие шрамы, эта грустная память о войне, остались на всю жизнь. Но Прохоров вернулся в строй. Он возвратился к научной работе. Первое время он не мог участвовать в полевых экспериментальных исследованиях. Пришлось работать только в лаборатории, изменить научную тематику. Но и в этих условиях он продолжал вносить свой вклад в дело победы, работая над повышением точности радиолокационных и радионавигационных систем.

Он стал аспирантом профессора Сергея Михайловича Рытова, глубокого и интересного ученого, и через три года трудных теоретических и экспериментальных исследований защитил кандидатскую диссертацию.

Спасение утопающих…

Шел 1946 год. В то время радиофизики бились над освоением сантиметрового и миллиметрового диапазона радиоволн. Сверхвысокие частоты — «эс-вэ-че» — это звучало во многих лабораториях мира и напоминало боевой клич. Задача овладеть все более короткими волнами была вызвана самой жизнью. А такие требования звучат для ученого как приказ.

В первые годы второй мировой войны радиолокаторы работали на метровых волнах. Но уравнения давно твердили, что чем короче волна, которую посылает радиолокатор в поисках вражеского самолета, тем точнее она находит его. А значит, тем легче его сбить, уничтожить!

И еще одно преимущество коротких волн было очевидно — они делали аппаратуру менее громоздкой, а это тоже было очень соблазнительно. Радиолампы становились крошками, радиопередатчики, приемники и антенны существенно «худели». Еще во время войны ученые и инженеры сумели перейти к дециметровым волнам, а затем овладели и сантиметровыми. Это были СВЧ. Но вскоре конструкторы поняли, что лобовой путь миниатюризации аппаратуры завел их в тупик. Радиолампы, генерирующие волны миллиметрового диапазона, превратились в подобие ювелирных изделий. И дело было даже не в том, что их стало трудно изготавливать. В процессе работы эти крошки так разогревались от бушующих в их недрах электромагнитных волн, а поверхность их стала столь малой, что ее уже не удавалось охладить, и лампы одна за другой гибли от перегрева.

Что делать? Возвращаться к более длинным волнам? Но кто же уступит отвоеванные позиции? Нет, СВЧ были уже закреплены за радиолокацией, надо было просто придумать другие способы их получения. Требовалось создать такие радиолампы, в которых укорочение длины волны не было бы связано с уменьшением размеров лампы. А все известные принципы генерации основаны на этой связи. Оставалось искать новые пути, позволяющие обойти тупик.

Многие ломали себе над этим голову, и Прохоров тоже. И однажды он придумал. Но что это был за диковинный способ!

В это время в ФИАНе происходили бурные события. Владимир Иосифович Векслер, тогда еще не бывший академиком, изобрел удивительный прибор — синхротрон, ускоритель заряженных частиц.

Это было изобретение по заказу. По собственному заказу самого Векслера и всех его коллег, изучавших атомное ядро. В то время они были вооружены много лучше, чем Резерфорд, бомбардировавший атомные ядра альфа- и бета-частицами, возникавшими при радиоактивном распаде. Во многих странах работали линейные ускорители и циклотроны, в которых получались быстрые электроны и протоны. Но энергии, достижимые при помощи таких ускорителей, не велики. Это ограничивало возможность физиков.

И Векслер понял: есть доля истины в крылатом изречении: «Спасение утопающих — дело рук самих утопающих». Отказавшись на время от исследования атомного ядра, он начал сооружать «спасательный круг». Мысль об окружности возникла перед ним, когда он анализировал причины, ограничивающие энергию, достигнутую в циклотроне. В этом приборе ускоренные частицы движутся по спиралям в зазоре между полюсами большого магнита. Движутся, подгоняемые при каждом обороте спирали энергией электромагнитного поля, возбуждаемого мощным генератором радиоволн. С каждым оборотом растет энергия ускоряемых частиц, увеличивается их масса, они становятся неповоротливыми, возрастает время, затрачиваемое частицами на один оборот. И именно это ставит предел ускорению. Возникает противоречие — период электрического поля, ускоряющего частицы, постоянен, а период их движения постепенно увеличивается. Начинается сбой, порции энергии, получаемые частицами, становятся все меньше и меньше, ускорение прекращается.

Итак, заключил Векслер, причина, ограничивающая энергию, достижимую в циклотроне, в том, что период вращения частиц непостоянен. Значит, нужно сделать его постоянным. Необходимо, чтобы вращение частиц в ускорителе происходило в такт с ускоряющим полем, было синхронным с ним.

Следующий шаг кажется теперь очень простым. Векслер знал, что период вращения заряженных частиц в магнитном поле зависит не только от их энергии, но и от величины магнитного поля. Расчет показал ему, что, запитав электромагнит переменным током и придав его полюсам специальную форму, можно заставить ускоряемые частицы некоторое время вращаться не по спирали, а по узкому кольцу. При этом вращение частиц окажется строго согласованным с ускоряющим полем. Так, пока еще на бумаге, родился синхротрон, первый из семейства современных ускорителей.

Теперь нужно было воплотить его в металл и… пустоту. Да, в пустоту. Ведь ускорение частиц может без помехи происходить только в пустом пространстве, из которого тщательно удален воздух. В новом ускорителе частицы должны были двигаться по круговым путям. Поэтому вакуумной камере следовало придать форму, больше всего напоминающую спасательный круг или большую баранку.

Когда синхротрон был построен и начал работать, он оправдал возлагавшиеся на него надежды. Он легко превзошел энергию, оказавшуюся предельной для циклотрона и других известных тогда ускорителей. Конечно, синхротрон не мог придать частицам безгранично большую энергию. Одно из существенных ограничений возникало в результате того, что пучок ускоряемых частиц при движении по орбите излучал электромагнитные волны. И чем большую энергию придавал частицам ускоритель, тем большая часть ее уходила на излучение электромагнитных волн. Так же как трансформатор превращает часть электрической энергии в тепло, ускоритель превращал часть энергии ускоряющего электрического поля в нежелательное электромагнитное излучение.

Нежелательное? Если оно нежелательно для тех, кто стремится лишь к получению быстрых частиц, то нельзя ли сделать его полезным для других целей? Нельзя ли, подумал Прохоров, использовать принцип синхротрона для создания новых генераторов сантиметровых и миллиметровых радиоволн?

Но для того чтобы создать генератор нового типа, нужно было сперва подробно изучить синхротрон.

Следовало во всех деталях исследовать механизм излучения электромагнитных волн пучком частиц, движущихся в круговой камере синхротрона. А синхротроны, построенные Векслером и его сотрудниками, уже с полной нагрузкой выполняли свою главную задачу. Они помогали физикам в штурме атомного ядра. Каждая минута машины была расписана на много месяцев вперед.

Конечно, можно было доказать важность новой работы и стать в хвост необозримой очереди. Но это претило темпераменту Прохорова. Он выбрал другой путь, не связанный с пассивным ожиданием. Ему удалось получить магнит от небольшого, простейшего ускорителя и в течение короткого времени с помощью немногих сотрудников превратить его в синхротрон.

В это время в лаборатории появился студент-практикант Николай Басов. Война оставила свой мрачный след и в его жизни. Как и другие юноши, окончившие школу в 1941 году, он, наверно, хотел стать летчиком, танкистом или пограничником. Но, призванный в армию, он успел окончить два курса Куйбышевской военно-медицинской академии, потом ее расформировали, а слушателей, почти врачей, определили в фельдшерскую школу.

И вот один из товарищей Басова по школе, теперь писатель, Марк Поповский, вспоминает, что, хотя Николай учился отлично, медициной он все-таки не увлекался. Этот длинный очкастый парень в короткой и тесной гимнастерке и обмотках приставал ко всем с физическими задачками, а в свободное время читал книги по математике и технике.

Шла война. Фронту требовался медперсонал, и фельдшерская школа партию за партией посылала своих питомцев на передовую. Так Басов попал на фронт. После победы участвовал в демонтаже заводов, на которых гитлеровцы изготовляли отравляющие вещества. При этом перенес сильное отравление, долго болел.

После демобилизации Басов, не колеблясь, выбрал Московский инженерно-физический институт. Физика казалась ему неотделимой от техники. Он правильно понял дух нашего века. Постепенно его начала все сильнее привлекать к себе теоретическая физика, ее покоряющая мощь, ее гигантские успехи, ее захватывающие тайны. Может быть, это произошло потому, что кафедрой теоретической физики в институте руководил академик Игорь Евгеньевич Тамм, блестящий представитель школы Мандельштама. Басов стал одним из лучших студентов кафедры. Но, попав на практику в Физический институт, в лабораторию к Прохорову, на чисто экспериментальную работу, он включился в эту работу со всей присущей ему энергией и вскоре, на год раньше установленного срока, защитил дипломный проект. Здесь экспериментальным исследованиям было уделено не меньше места, чем теоретическим.

Досрочное окончание института — редчайший случай. Так впервые и в полной мере проявился научный стиль Басова — работать быстро, не щадя сил и времени, гармонически сочетать теорию и эксперимент, искать и находить новое. Это были как раз те качества, которые особенно ценились в этой лаборатории.

Но с синхротроном, надо сказать, у них все же ничего не получилось — пришлось убедиться, что из синхротрона хорошей радиолампы не получишь. Однако это не обескуражило молодых ученых — отрицательный опыт, во всяком случае, лучше отсутствия всякого опыта.

Какая-то чертовщина

Эта неудача, конечно, не отразилась на судьбах радиолокации. Над созданием новых генераторов работали не только в лаборатории ФИАНа, но и в других учреждениях. Радиолокация вскоре получила отличные лампы и антенны, приемники и передатчики. Наша артиллерия, снабженная точнейшими станциями наведения на цель, прекрасно справлялась со своей задачей.

Радиолокация развивалась бурно. Можно сказать без преувеличения, что в послевоенные годы не было более популярной области техники, чем радиолокация. Я помню, когда в Московском авиационном институте открылся радиотехнический факультет, на него устремились студенты со всех других отделений. И на тех, кого взяли, смотрели, как на счастливчиков. Нет, молодежь увлекал не только ореол победительницы, какой показала себя радиолокация во время Отечественной войны. Не только ее боевой аспект. Особенно привлекала таинственность, загадочная суть новой области техники. Посудите сами: что-то невидимое и неслышимое мчится сквозь пургу и дождь, ночь и туман и находит за тысячи километров самолет-точку в облаках и корабль за горизонтом! И нас, студентов-локационщиков, учили строить мощные передатчики и антенны, посылающие невидимые лучиискатели возможно дальше, чуткие приемники, способные уловить среди миллионов шумов, оглушающих Землю, еле-еле живое эхо, которое могло бы рассказать о местонахождении самолета или корабля, грозы или шторма.

Нас, радиоинженеров, интересовала аппаратура. Нашей задачей было сделать ее более мощной, удобной, выносливой. Нас занимали передача радиосигналов и их прием. Что делалось с ними на пути от передатчика к цели и обратно, оставалось вне нашей компетенции и внимания. Но физиков волновала как раз эта часть проблемы. Что случается с радиоволнами в воздухе, каковы их взаимоотношения со встречными атомами и молекулами? Это только нам, жителям большого мира, кажется, что воздух бесплотен. Для радиоволн воздух так же труднопроходим, как для человека джунгли. Радиоволны сталкиваются с атомами воздуха, огибают их, лавируют между ними. И физиков как раз и занимал вопрос о том, что происходит с ними в пути. И тут было над чем задуматься, потому что не всегда радиоволны доходили до цели. Иногда они рассеивались «как дым, как утренний туман», и операторы локационных станций напрасно ждали от них сведений. Особенно памятен один трагический военный эпизод.

7 декабря 1941 года эскадрилья японских торпедоносцев и бомбардировщиков совершенно беспрепятственно подошла к американской военно-морской базе Пирл-Харбор на Гавайских островах, атаковала ее и нанесла тяжелые потери тихоокеанскому флоту США. Спрашивается, как такое могло случиться — ведь база тщательно охранялась радиолокаторами? Правда, тогда многие писали, что в оплошности был виноват не радиолокатор, а оператор — он-де видел на экране локатора сигналы, но свои это или чужие, разобрать не смог.

Так или иначе, но тот эпизод послужил уроком, и ученые всерьез занялись изучением характера радиоволн. Тем более что были и другие непонятные случаи.

Еще во время войны специалисты, занимавшиеся созданием радиолокаторов на более короткие волны, встретились с загадочным явлением, которое долго не находило объяснения. Пучок радиоволн длиной в 1,3 сантиметра, посланный радиолокатором в поисках цели, «растворялся» в пространстве. Казалось, что кто-то невидимый ставил на пути лучей ловушку и большая часть радиоволн захлопывалась в ней. Причина этого явления была неясна. Было лишь очевидно, что из-за сильного поглощения применять радиоволны длиной 1,3 сантиметра для радиолокации невозможно.

Странное явление очень заинтересовало ученых. Начались поиски разгадки. Пропуская радиоволны через разреженные газы, ученые убедились в том, что многие из них сильно поглощают короткие радиоволны. Азот и кислород, например, пропускают без изменения радиоволны длиной в 1,3 сантиметра, а водяные пары поглощают их. Различные газы поглощают не все проходящие через них радиоволны, а лишь те, которые имеют определенную длину. Остальные они пропускают, не задерживая.

Создавалось впечатление, что молекулы как-то настроены на эти волны и поэтому поглощают только их. Этим свойством молекулы напоминают радиоприемники. Ведь радиоприемники обладают способностью отделять сигналы одной радиостанции от сигналов остальных. И молекулы, подобно радиоприемникам, принимают лишь те волны, на которые они «настроены».

Короче говоря, стало ясно, что газы способны избирательно поглощать радиоволны. Волны определенной длины поглощались атмосферой много сильнее, чем остальные. Правда, еще в начале тридцатых годов на основе исследования оптического спектра молекулы аммиака было предсказано, что эта молекула должна сильно поглощать радиоволны длиной около 1,25 сантиметра. Более того, уже в 1934 году Клитон и Вильяме обнаружили такое поглощение. Но это не было таким уж сенсационным открытием, и радиолокаторщики не связали с ним свое удивительное наблюдение.

Вся эта чертовщина особенно взволновала физиков из лаборатории колебаний ФИАНа. Они уловили в этой ситуации какие-то очень знакомые нотки. Нет, это было не то же самое, но явление в чем-то перекликалось с явлением комбинационного рассеяния света, открытого их учителем Мандельштамом! Только там речь шла о свете, а здесь — о радиоволнах. Но это было не принципиальное различие, ведь и то и другое — электромагнитные волны. Физиков не смущало, что картина во многом носила противоположный характер. Мандельштам заметил, что вещество, сквозь которое проходит свет, кое-что добавляет к нему (лишние частоты — комбинационные, как назвал их Мандельштам), а у радиоволн отнимает. Если вещество облучать радиоволнами различных частот, то в зависимости от его состава оно поглотит кое-какие из этих волн. Чем не новый способ анализа неизвестных смесей? Конечно же, ученые не могли пройти мимо внезапно открывшейся возможности.

Поглощение газами радиоволн определенной длины было тем явлением, которое натолкнуло ученых на использование радиоволн в совершенно новых целях. Для радиоспектроскопии, как назвали новую область исследования, рожденной из союза радио и спектроскопии — науки очень молодой и очень старой, — наступило хорошее время. Кончилась война, и физикам досталась масса радиоламп и всякой другой аппаратуры, приспособленной для работы в диапазоне сантиметровых радиоволн. Они применили все это для исследования спектров атомов и главным образом молекул и убедились, что во многих отношениях радиоспектроскопия превосходит оптическую спектроскопию. Прежде всего по точности и чувствительности, а в некоторых случаях и по быстроте исследования. Оказалось, с радиоволнами легче иметь дело, чем со светом.

Но радиоспектроскопия была не только применением радио к физике. В ней заключалась и встречная возможность: физика для радио. Радиоспектроскопия подсказала, как сделать более стабильной частоту радиопередатчиков. К этому стремились во многих лабораториях. В лаборатории колебаний ФИАНа аспирантка Наташа Ирисова и молодой кандидат физико-математических наук Марк Жаботинский в это время сумели применить спектральную линию аммиака для стабилизации своего генератора.

Закончив исследование излучения радиоволн электронами, мчащимися в синхротроне, Прохоров и Басов тоже увлеклись радиоспектроскопией. Басов в это время уже стал аспирантом. Его руководителями были Леонтович — глубокий теоретик, представитель старшего поколения учеников Мандельштама, и Прохоров, предпочитающий экспериментальную работу, но умеющий теорию уподобить танку, пробивающему путь эксперименту — этому пехотинцу науки, закрепляющему победу.

Прохоров и Басов начали просвечивать различные газы радиоволнами и, изучая поглощение волн, расшифровывали строение и свойства молекул.

Это увлекательная, но кропотливая работа, рассказывают они. Ее можно сравнить с разгадкой хорошего кроссворда. Вначале не знаешь, как подступиться, а потом не можешь оторваться.

Все шло очень хорошо. Ученые выясняли способность атомов и молекул поглощать радиоволны, впереди была масса интереснейших проблем, но вскоре сотрудники узнали, что Басов и Прохоров, оказывается, вовсе не оставили мысли о новых генераторах СВЧ! Только теперь они, к ужасу окружающих, ударились в другую крайность: если недавно они хотели приспособить для этой цели махину — синхротрон, то теперь решили использовать нечто совсем невидимое и неосязаемое — атомы и молекулы!

А мысль-то была логичной. Если атомы и молекулы поглощают радиоволны, значит они способны и излучать? Почему бы нет?

Только подумать! Атом — своеобразный естественный генератор радиоволн! К этой мысли надо было привыкнуть. Ведь с понятием радиотехнического прибора связаны громоздкие ящики, набитые электронными лампами, катушками индуктивности, трубочками сопротивлений, конденсаторами, источниками электропитания.

А тут — невидимая крупица материи. Но с какими необыкновенными свойствами! Электронные лампы и детали изнашиваются, портятся. Атом же вечен. Он не старится, не срабатывается. Если его изолировать от внешних воздействий, он никогда не изменит длину излучаемой волны. Этот генератор, созданный природой, — самый устойчивый и неизменный в своей работе прибор. А сколько труда стоят попытки сконструировать неизменные, или, как говорят инженеры, стабильные, генераторы радиоволн!

Да, атом в роли радиопередатчика — идея заманчивая. Это было как раз то, что принесло впоследствии Басову и Прохорову всемирную славу, Ленинскую и Нобелевскую премии. Но в те дни они меньше всего думали о славе. Перед ними, еще туманно, вырисовывалась заманчивая цель. К ней вели три долгие и трудные пути-дороги. Одну проложили Мандельштам и Папалекси, и она шла из мира радио. Другую проложил Ньютон еще триста лет назад. А третью протоптали Планк, Эйнштейн и Бор. И перед Басовым и Прохоровым возникла задача, но не та, что встречается в сказках и былинах, — выбрать одну дорогу из трех, а реальная, трудная и привлекательная — пройти все три дороги. Ибо ни одна из них не вела непосредственно к цели. Они не были прямыми и хорошо укатанными дорогами. Они петляли, переплетались, скрещивались. То шли рядышком, то завязывались в узел, то сливались воедино, так что не разберешь, где какая. И где-то на скрещении этих дорог была заветная цель.

Где сидит фазан

Дорога Ньютона была не только самой старой, но и очень красивой. Она сияла всеми цветами радуги. Этот великий кудесник подставил солнечному лучу обыкновенную стеклянную призму, и луч, споткнувшись, рассыпался в красный, оранжевый, желтый… (Помните ли вы дальше? Мы в школе, для того чтобы запомнить последовательность цветов солнечного спектра, зазубривали магическую чепуховину: «Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан».) Красный, оранжевый, желтый (здесь переводят дыхание — и дальше)… зеленый, голубой, синий, фиолетовый!

Зрелище великолепного веера, которым раскрывался обыкновенный белый свет в нехитром спектроскопе Ньютона, увлекало не одно поколение физиков. Они наводили спектроскоп на Солнце, на пламя свечи. И спектроскопы показывали картинки одну ярче другой.

Особенно любопытно было наблюдать окрашенное пламя. Ведь давно было известно, что раскаленный медный паяльник окрашивает пламя в голубовато-зеленый цвет. А если посыпать на него поваренной соли, пламя станет желтым. Недаром бенгальские огни удивляют разнообразием и яркостью своих свечений.

Но должно было пройти около полутора веков после открытия Ньютона, прежде чем появился спектроскоп, позволивший выделять отдельные детали спектра. Направив щель такого спектроскопа на Солнце, его создатель Воластон заметил, что солнечный спектр пересекают многочисленные темные линии. Ни он, ни другие ученые не могли понять причины возникновения этих линий. Не удивительно, что об этом открытии вскоре забыли. Один из многих печальных случаев в истории науки.

Ничего не знал о нем и пятнадцатилетний сын немецкого стекольщика Иозеф Фраунгофер. В это время он работал учеником в зеркальной и стекольной мастерской, где никто и понятия не имел о спектрах. Через четыре года он перешел в крупную оптическую мастерскую, которая выпускала не только зеркала и люстры, но и бинокли, подзорные трубы и другие оптические приборы. Постепенно он стал лучшим мастером, а со временем и руководителем этого предприятия.

Задумав увеличить яркость изображения при наблюдении спектров, Фраунгофер соединил воедино зрительную трубу со щелевым спектроскопом Воластона и направил в свой прибор солнечные лучи. Прекрасный яркий спектр пересекали четкие темные линии… Фраунгофер убедился в том, что это не дефект прибора, а свойство солнечного света. Он подробно изучил расположение темных линий и затем использовал их для контроля качества своих спектроскопов. Однако механизм возникновения этих линий стал понятен лишь после изобретения спектрального анализа.

Прекрасные спектроскопы Фраунгофера завоевывали все большую популярность. Многие любовались чарующей симфонией света. Но «смотреть» не означает «видеть». По своему смыслу «видеть» гораздо ближе к «понимать».

Никто не может сказать, сколько человек, начиная с Ньютона, рассматривало всевозможные спектры. Несомненно, многие замечали, что окраска пламени связана с появлением в его спектре узких и ярких линий. Возможно, кто-нибудь заметил и то, что желтые линии, порождаемые поваренной солью, возникали и при внесении в пламя других солей натрия. Зеленые линии появлялись не только в присутствии металлической меди, но и при нагревании мельчайших крупинок медного купороса и других солей меди.

Только физик Кирхгоф и химик Бунзен поняли, что это не простое совпадение. Они увидели, что скрывается за яркими спектральными линиями.

Кирхгоф и Бунзен после длительных опытов и раздумий пришли к твердому выводу: каждый химический элемент характеризуется вполне определенным набором спектральных линий. Эти линии являются своеобразным паспортом химического элемента. Наблюдая их в спектроскоп, можно судить о наличии в веществе данного элемента.

Так родился спектральный анализ.

Теперь изучение спектров светящихся газов составляет лишь часть обширной области, известной под названием «спектральный анализ». Уже Кирхгоф расширил ее, использовав для анализа темные фраунгоферовы линии. Кирхгоф понял, что непрерывный спектр, излучаемый раскаленной поверхностью Солнца, частично поглощается более холодными газами солнечной атмосферы. Он сумел воспроизвести этот процесс в лаборатории. Этот поразительный по остроумию опыт заманчив своей простотой и доступностью. Его может повторить каждый при помощи обычной стеклянной призмы. Кирхгоф направил спектроскоп на пламя газовой горелки и ввел в это пламя крупинку поваренной соли. В спектроскопе сразу появились яркие желтые линии, характерные для атомов натрия. Достаточно убрать из пламени поваренную соль, и эти линии исчезают.

Затем Кирхгоф направил спектроскоп на ослепительный кратер вольтовой дуги. В спектроскопе возник яркий непрерывный спектр, чрезвычайно похожий на спектр Солнца, но без характерных фраунгоферовых линий. После этого Кирхгоф поместил между вольтовой дугой и спектроскопом газовую горелку — так, чтобы свет дуги перед тем, как попасть в спектроскоп, проходил через пламя. Вид спектра не изменился.

Теперь наступил решающий этап опыта. Кирхгоф вновь ввел в пламя горелки крупинку поваренной соли. Пламя окрасилось в ярко-желтый цвет. Что же при этом показал спектроскоп?

Не спешите сказать, что там появились яркие линии натрия. Ничего подобного. В тех местах, где они

должны были появиться, яркий спектр вольтовой дуги пересекали темные линии. Это были впервые полученные в лаборатории спектральные линии поглощения — искусственные фраунгоферовы линии. Пары натрия, испаренного пламенем горелки, более холодным, чем кратер вольтовой дуги, поглощали часть света вольтовой дуги. Стоило погасить дугу, и эти темные линии превратились в яркие линии натрия. Как только Кирхгоф вновь зажег дугу, яркие натриевые линии снова стали темными провалами на фоне яркого спектра дуги.

Что же здесь происходит?

Голубое пламя газовой горелки имеет температуру около двух тысяч градусов, но входящие в него атомы водорода, углерода, азота и кислорода при этой температуре светятся очень слабо. Поэтому пламя горелки плохо видно и невооруженным глазом и в спектроскоп.

Поваренная соль в пламени частично распадается на атомы хлора и натрия. Атомы натрия при этой температуре светятся довольно ярко, испуская характерный желтый свет.

Однако если пары натрия, нагретые до двух тысяч градусов, оказываются на пути света, исходящего из кратера вольтовой дуги, температура которого превосходит четыре тысячи градусов, они поглощают больше желтого света, чем испускают, и желтые линии натрия, казавшиеся яркими на темном фоне, выглядят темными на ярком фоне спектра вольтовой дуги.

Так Кирхгоф не только бесспорно объяснил происхождение фраунгоферовых линий, но и показал, что при их помощи можно определить состав солнечной атмосферы. Он сам обнаружил на Солнце многие химические элементы, спектры которых уже были изучены им на Земле. А впоследствии изучение фраунгоферовых линий привело к открытию неизвестного химического элемента — гелия. Гелий был таким образом сначала обнаружен на Солнце и лишь впоследствии найден на Земле. С тех пор спектры поглощения изучают главным образом астрономы, наблюдая фраунгоферовы линии в спектрах Солнца, звезд и туманностей. Но они популярны и в лабораториях. Особенно при исследовании жидкостей. Ведь жидкости нельзя нагреть так сильно, чтобы они начали испускать свет. При этом они испарятся и перестанут быть жидкостями.

Конфетка, а не молекула

Прежде чем вернуться в лабораторию Басова и Прохорова, несколько слов о том, как ученые наблюдают спектры.

Со времен Ньютона спектры исследовались, как говорят, визуально, то есть попросту рассматривались глазами. Но хотя глаз обладает превосходной чувствительностью, этот способ очень неточен. Многое зависит от искусства и опыта наблюдателя. Кроме того, на исследование уходит много времени.

С развитием фотографии ученые предпочли фотографировать спектры. Это сразу дает точный научный документ, который затем можно многократно подвергать различной обработке.

Но, конечно, самым удобным оказался фотоэлемент, преобразующий освещенность различных участков спектра в электрический ток.

Если мы теперь заглянем в лабораторию Басова и Прохорова и подойдем к их радиоспектроскопу, мы увидим много похожего и много не похожего на то, с чем работают оптики. Здесь нет никаких призм, фотоэлементов, ничего от оптики. И это понятно. Усвоив всю культуру оптической спектроскопии, радиоспектроскописты должны были перевести ее на язык радио. Хотя радиоспектры и оптические спектры отличаются только диапазоном волн, или, что то же самое, частот, методы их наблюдения требовали совсем иных технических воплощений. Во-первых, в радиодиапазоне нет источников, которые, как Солнце или электрическая лампочка, интенсивно излучают энергию в широком непрерывном диапазоне волн. Каждый генератор радиоволн порождает электромагнитные колебания, очень близкие к тем, которые оптики называют монохроматическими, то есть одноцветными.

Во-вторых, сам радиоспектроскоп — это не стеклянная призма, а металлическая труба — волновод. Концы волновода герметически закрыты тонкими слюдяными пластинками, пропускающими радиоволны. К концу волновода присоединен генератор радиоволн, к другому — детектор-приемник. Сигнал от детектора после усиления подается на экран осциллографа. Физики заставили электронный луч рисовать радиоспектр на экране осциллографа и наблюдают его так же, как мы смотрим передачи по телевизору.

Работая с радиоволнами, Басов и Прохоров измеряли их частоту гораздо точнее, чем это делали ученые, исследующие оптические спектры. Поэтому они могли более точно определять интересующие их характеристики молекул и даже ядер атомов, входящих в эти молекулы.

Звучит это сухо и буднично — не правда ли? Да, точно определяли, да, изучали атомы и даже их ядра. Но ведь это чудо! Чудо из чудес!

Однажды я сидела в лаборатории рядом с одним из физиков и смотрела на экран осциллографа. В волноводе радиоспектроскопа был аммиак. Аммиак облучался радиоволнами каких-то там частот, какие-то из них он «пожирал», и это тотчас регистрировал электронный зайчик. Он рисовал на экране осциллографа петельку. Физик смотрел на нее, ухмылялся, иногда вздыхал, раз сокрушенно покачал головой и все время что-то писал, вычерчивал.

- Ну, вы видите? — он вдруг обратил свое благосклонное внимание и на

меня.

- Да, конечно, — охотно согласилась я, — здорово. Спектральная линия. Прелесть.

Он посмотрел на меня как-то слишком внимательно.

- Молекулу видите? — почему-то с сожалением в голосе переспросил он.

- Молекулу? Нет. Она же в волноводе…

Физик вздохнул на этот раз особенно тяжело. И протянул мне листок бумаги.

- Это конфетка, а не молекула, — убежденно сказал он.

И я увидела… Представьте себе маленькую трехгранную пирамидку. В трех вершинах ее основания расположено по атому водорода, а в четвертой помещается атом азота. Так построена молекула аммиака. Атом азота и три атома водорода. Вот и все. Проста и изящна.

Расстояние между атомом азота и каждым из атомов водорода равно примерно одной десятимиллионной доле миллиметра (точнее 1,014 этой доли). Угол при вершине пирамиды тоже хорошо известен — он равен 106 градусам и 47 минутам.

Не правда ли, сухие цифры, и при чтении их хочется пропустить? Но ведь того, что так точно измерено, никогда не касалась рука человека, не видел глаз!

Физик смотрел на тот же экран, что и я, и видел то же, что и я. И рисовал простым карандашом. И делал вычисления с помощью обычной логарифмической линейки. Но за всеми этими будничными вещами он видел никому не ведомое, угадывал крепко спрятанное. Меня это поразило сильнее, чем эпизод во время выступления Вольфа Мессинга, который долго не давал мне покоя. Помню, он вдруг остановился и обратился к женщине во втором

ряду.

- Простите, — сказал он, — вы спешите? Вы только что подумали, что, если это долго продлится, вам придется уйти.

Женщина смутилась, покраснела и встала.

- Извините, — сказала она, — я действительно подумала об этом. Я рано ушла из дому, и у меня разболелась голова. Если это долго протянется, я не выдержу и, хотя здесь очень интересно, мне придется уйти.

Тайна чтения мыслей на расстоянии до сих пор не раскрыта. И это кажется чудом. Но разве не чудо, что ученые с помощью, в сущности, обыкновенных вещей — комбинаций каких-то коробок с радиолампами — проникли в глубь материи и узнали многие атомы и молекулы так хорошо, как будто они не только видели, но измеряли их линейкой и циркулем!

Физики не только определили форму молекулы аммиака и измерили величину этой мельчайшей пирамиды, но и установили, что она не может считаться чем-то подобным твердому телу.

Атом азота и три атома водорода, входящие в нее, удерживаются на своих местах силами электрического взаимодействия. Когда эти атомы объединяются в молекулы, они делятся своим «имуществом». Электроны, ранее принадлежавшие атомам водорода, обобществляются. Они одновременно принадлежат и атомам водорода и атому азота.

В молекуле не утихает борьба двух противоположных сил. Электрические силы, которыми электроны стягивают ядра атомов, встречаются с противодействием других невидимых сил. Положительные заряды ядер отталкиваются друг от друга и не дают ядрам сблизиться вплотную. Можно представить себе, что между ядрами натянуты невидимые пружинки, так что атомы оказываются как бы закрепленными между набором сжимающих и расталкивающих их пружин.

Но тела, скрепленные пружинами, не закреплены намертво. Они могут колебаться около той точки, в которой они закреплены. Так же обстоит дело и с атомами, входящими в молекулу. Они тоже могут колебаться вокруг своих положений равновесия. Далеко разойтись они не могут, так как их стягивают между собой электроны. Сблизиться вплотную они тоже не могут, так как их расталкивают одноименные заряды ядер.

Скрепленные таким образом ядра в большей или меньшей степени колеблются вокруг своего положения равновесия.

И если бы мы могли увидеть молекулу аммиака, то атомы представились нам туманными пятнышками, размеры которых зависят от размаха их колебаний. Присмотревшись внимательнее, мы заметили бы, что размеры туманных пятнышек внезапно меняются. Они то увеличиваются, то уменьшаются. Это значит — колебательное движение становится то сильнее, то слабее.

Но это еще не самое удивительное. Молекула внезапно меняет свой вид. Она вдруг выворачивается наизнанку, как перчатка! Атом азота неожиданно оказывается лежащим не над треугольником атомов водорода, а под ним. Затем столь же внезапно все возвращается в исходное положение, атом азота водворяется на первоначальное место. Мы как бы видим молекулу и ее зеркальное изображение.

Это повторяется неоднократно. Странность заключается в том, что такое перемещение отнюдь не результат поворота молекулы. Все происходит так, как если бы атом азота проскакивал между атомами водорода. Но так как атом азота в четыре с лишним раза тяжелее, чем три атома водорода, вместе взятые, то правильнее было бы сказать, что треугольник с атомами водорода в его вершинах оказывается то с одной, то с другой стороны атома азота.

Инверсия — так назвали ученые это явление. И вот оказывается, такой инверсионный переход возможен только в молекулах. Ни в одном из тел крупных размеров он невозможен.

Когда кто-нибудь высказывал сомнения по этому поводу, Прохоров легко рассеивал их, предлагая посмотреть на модель молекулы аммиака. Ее можно, говорил он, изготовить из трех маленьких и одного большого шариков, связанных пружинками так, чтобы они образовали пирамиду. Продавить один шарик между тремя остальными можно, только приложив силу. Сжать пружины не так-то легко. Если же это удастся, шарик займет новое положение равновесия и отнюдь не будет стремиться возвратиться обратно. Для его возвращения необходимо проделать всю работу сначала. В молекуле же инверсионные переходы осуществляются сравнительно часто и без всякой видимой причины, самопроизвольно, без воздействия со стороны.

И все это физики разузнали, никогда и в глаза не видя эту молекулу. Теперь она исследована очень подробно. И почти все новые идеи в радиоспектроскопии проверяются с помощью молекул аммиака. Для радиоспектроскопии аммиак стал так же важен, как рычаг для механики. А в судьбе Басова и Прохорова молекула аммиака сыграла особую роль.

Басов и Прохоров с головой ушли в эту работу. Она увлекала их все больше и больше. Но постепенно у них стало складываться убеждение, что они выжимают из своего прибора не все, что можно. Чувствительность его была не такой, какой могла быть. И не потому, что прибор плохо изготовлен или они его плохо наладили. Нет. Причина крылась где-то глубже.

Было такое ощущение, что молекулы, запертые в волноводе, либо не поглощают всю положенную им порцию радиоволн, либо что-то там, в волноводе, излучает радиоволны той же частоты, что и молекулы, и это частично компенсирует поглощение и притупляет чувствительность прибора. Что все это могло значить? Как в этом разобраться?

Ответ на эти вопросы прятался на дороге квантов.

Проклятый вопрос

Девятнадцатый век кончился в обстановке относительного благодушия и благополучия. Давно отгремели залпы революций. Французская республика не многим отличалась от окружавших ее монархий.

В области науки тоже воцарилось удивительное спокойствие. После недавних великих открытий и изобретений наука и техника переживали гармонический прогресс. Паровая машина перестала зависеть от интуиции одиночек. Развитие термодинамики позволило инженерам строить паровые машины так же уверенно, как рычаги и полиспасты.

На смену Фарадею, этому гениальному экспериментатору, пришел поклонявшийся уравнениям Максвелл. Правда, в течение многих лет его почти никто не понимал. Он долго оставался генералом без армии. Но постепенно под его знамена пришли люди следующего поколения, и дотоле мертвая конструкция электродинамики внезапно обрела жизнь. Герц открыл предсказанные Максвеллом электромагнитные волны. Попов применил их для связи. Лорентц объяснил, как магнитное поле влияет на спектральные линии атомов. Менделеев, приведя в порядок первозданный хаос химических элементов, при помощи простых вычислений исправлял не укладывавшиеся в его таблицу атомные веса, предсказывал существование новых неведомых элементов. И его предсказания, как в сказке, сбывались одно за другим. Казалось, наука овладела последними тайнами природы. И знаменитый Джи Джи Томсон говаривал своим ученикам, что заниматься физикой уже не стоит, что она настолько завершена, что ее нужно лишь изучать и применять.

Но, к счастью, и среди ученых были неудовлетворенные, замечающие трещины и изъяны не только в сияющих башнях, но и в самом фундаменте науки. Они предчувствовали порывы ветра, грозящие поколебать здание, воздвигнутое трудами поколений.

Над одним из проклятых вопросов бился Макс Планк, педантичный и немного чопорный профессор Берлинского университета. Планка, как и многих других, беспокоило, что электродинамика, предсказавшая существование электромагнитных волн, открытых затем Герцем, показавшая, что свет есть одна из разновидностей этих волн, и добившаяся ряда других выдающихся успехов, оказалась бессильной в решении, казалось бы, простой задачи: все попытки применить электродинамику для описания взаимодействия электромагнитного излучения с веществом приводили к абсурду. Расчеты не совпадали с опытными фактами. Некоторые ученые поговаривали о том, что виновата электродинамика с ее непривычными абстракциями: что-то неладно в самых ее основах.

Планк не сомневался в том, что электродинамика Максвелла и близкая его сердцу наука о теплоте — термодинамика — безупречны. Он вновь и вновь пытался с их помощью помирить теорию с тем, что показывал опыт.

Как-то он обсуждал свои работы с одним из крупнейших физиков, Людвигом Больцманом, и тот сказал, что, по его мнению, нельзя построить вполне правильную теорию процессов излучения без привлечения в нее какого-то еще неизвестного элемента дискретности.

Планк глубоко уважал Больцмана, и это указание наложило отпечаток на дальнейшие исследования. И действительно, пытаясь примирить теорию и эксперимент, Планк пришел к формуле, в которой вместе с привычными для физиков непрерывными функциями стояли прерывные величины, изменявшиеся малыми скачками. Эта поразительная формула в точности изображала ту кривую, которая получалась из опыта.

Шел 1900 год. Новый век зарождался не только в календаре, но и в науке. В этом году Планк опубликовал формулу, описывающую распределение энергии в спектре электромагнитного излучения нагретых тел. Она была основана на предположении о том, что процесс испускания электромагнитной энергии не непрерывен, а дискретен, что электромагнитная энергия испускается и поглощается малыми порциями — квантами. Прекрасное совпадение этой формулы с опытом показало, что процесс испускания света подобен не истечению струи воды, а течению песка, которое кажется непрерывным только издали, когда не заметны отдельные песчинки.

Но XX век далеко не сразу стал веком квантов. Работа Планка не только не встретила признания, но вызвала сомнения и возражения. Дискретность противоречила всему духу физики, и ученые никак не могли с ней примириться.

Нужно сказать, что Планк сам относился к своей формуле с осторожностью. Он говорил, что она может быть ошибочной, но может быть и верной, и в этом случае по своему значению окажется сравнимой с законом Ньютона. Будучи человеком консервативных взглядов, Планк долго медлил с опубликованием своего открытия. Только когда известный экспериментатор Рубенс показал Планку результаты своих новейших измерений, полностью совпавших с формулой Планка, ученый сообщил миру о своей теории.

В то время в университетах и академиях господствовал идеализм. Лишь немногие крупные естествоиспытатели были материалистами. Планк принадлежал к физикам-материалистам. Однако и ему было трудно осознать, что его открытие требует коренной ломки основ науки. Для того чтобы дать толчок революции, понадобился темперамент другого склада. И он нашелся.

В 1905 году, когда в России прокатилась первая революционная волна, в далекой, тихой, идиллической Швейцарии жил и работал в скромной должности эксперта патентного ведомства начинающий физик Альберт Эйнштейн. Его тоже привлекали неразрешенные задачи природы. В 1905 году он опубликовал сразу пять статей. По крайней мере две из них дали решающие толчки, потрясшие здание классической физики. В одной из них содержалась теория относительности, описание которой требует отдельной книги. В другой было показано, что квантовые свойства не возникают при взаимодействии света с веществом, как думал Планк, а являются неотъемлемой характеристикой света, присущей ему и в пустом пространстве.

Это никак не лишает света его волновых качеств. Просто в одном случае он проявляет себя как квант-частица, в другом — как волна.

Сейчас бесспорно, что эта двойственность является одним из основных свойств материи и проявляется не только в оптических явлениях, но и в свойствах электронов, протонов и всех других микрочастиц. В большинстве случаев они ведут себя как настоящие частицы, но при подходящих условиях они выявляют заложенные в них волновые свойства.

Но то, что представляется бесспорным сейчас, многие годы казалось большинству ученых весьма подозрительным. Даже творец квантов Макс Планк не признал квантовую теорию света. Через семь лет, представляя для избрания в Прусскую академию наук ставшего уже знаменитым благодаря теории относительности Эйнштейна, Планк и другие крупнейшие ученые писали, что ему не следует ставить в упрек гипотезу световых квантов!

Однако изгнать из физики мысль о том, что энергия в микромире существует в виде малых порций, было уже невозможно. Вскоре она еще раз доказала свою плодотворность.

Примерно в это же время, в 1911 году, Резерфорд, обстреливая атомы альфа-частицами, возникавшими при радиоактивном распаде, бесспорно доказал, что каждый атом состоит из тяжелого ядра, в котором сосредоточена почти вся его масса, и окружающих это ядро электронов. При этом ядро всегда несет на себе положительный электрический заряд, г электроны, имеющие отрицательный заряд, входят в атом как раз в таком количестве, чтобы обеспечить его электрическую нейтральность.

Физики теперь начали представлять себе атом как некое подобие солнечной системы — ядро играет роль Солнца, электроны — роль планет, а электрические силы притяжения положительного и отрицательного зарядов — роль силы всемирного тяготения. Но эта простая модель таила в себе неразрешимое противоречие. Уже раньше считалось твердо установленным, что всякое заряженное тело (а следовательно, и электрон) при движении по искривленному пути должно излучать энергию в виде электромагнитных волн. Но, теряя энергию при движении по орбите вокруг ядра, электрон должен постепенно приближаться к ядру и, наконец, упасть на него. Это значило, что атом должен рано или поздно погибнуть. А этого никогда не случалось. Атомы, по всем данным, являются устойчивыми, «вечными» образованиями.

Классическая физика, таким образом, вступила в противоречие с самим фактом существования атомов. Примирение здесь было невозможным. Нужна была новая радикальная идея.

И такая идея появилась. Нильс Бор предположил, что по каким-то непонятным причинам электроны, движущиеся по своим орбитам внутри атомов, не излучают энергию. Для каждого атома существует вполне определенный набор допустимых орбит. Ни по каким из других мыслимых орбит электроны в нем двигаться не могут. Если это так, если, вращаясь по своим орбитам, электроны не теряют энергии, то они могут перемещаться по своим орбитам вечно, как планеты вокруг Солнца.

Наука не признает гипотез, придуманных специально для объяснения одного непонятного факта. Если бы Бор ограничился этой гипотезой, она не вошла бы в золотой фонд науки и была бы забыта. Однако Бор выдвинул еще одну гипотезу. Он предположил, что электроны могут (каким-то неведомым образом, он не пытался описать этого в подробностях) переходить с одной орбиты на другую. При этом электроны теряют или приобретают извне квант энергии. Теряют, если переходят с удаленной орбиты на более близкую к ядру, и приобретают, переходя с нижней орбиты на верхнюю. Далее Бор предположил, что при этом закон сохранения энергии не нарушается. Энергия не исчезает и не рождается из ничего. Просто, теряемая электроном, она превращается в квант света — фотон и излучается в окружающее пространство. А при переходе электрона с нижней орбиты на верхнюю атом поглощает энергию фотона из окружающего пространства.

Если наука не признает нарочитых гипотез, то что можно выиграть, предложив не одну, а сразу три гипотезы? Но в том и проявился гений Бора, что эти три гипотезы, известные теперь как постулаты Бора, не только непринужденно объяснили факт существования атомов, но объединили между собой множество различных фактов, казавшихся до того таинственными и совершенно независимыми.

Прежде всего, и это произвело на ученых потрясающее впечатление, постулаты Бора выявили связь между строением атомов и их оптическими спектрами. Ключ к прочтению спектрограмм был найден!

Более полувека спектральные закономерности оставались книгой за семью печатями. Ученые собирали все больше и больше сведений о спектрах. Сводили их в толстые многотомные атласы и справочники. Все более совершенствовали спектроскопы и методы спектрального анализа. Но никто не мог сказать, почему спектр одного элемента отличается от спектра другого, как возникают эти спектры и что из них можно узнать, помимо самого факта наличия или отсутствия какого-либо элемента.

И вот выяснилось, что расстояние между орбитами, между которыми может прыгать электрон, определяет «цвет» кванта так же точно, как положение музыкальных нот на нотных линейках определяет высоту звука. То есть в том и в другом случае расстояние между уровнями определяет частоту излученной энергии (правда, в одном случае электромагнитной, в другом — звуковой). И теперь, зная строение атома данного элемента, можно заранее сказать, какие линии увидишь в его спектре излучения.

Бор при помощи своих постулатов рассчитал закономерности спектра водорода, и его вычисления удивительно точно совпали с опытом. Для более сложных атомов вычисления становились очень громоздкими, но ни у кого не было сомнения в том, что эти трудности будут преодолены.

Постулаты Бора позволили понять, сделали совсем наглядной картину строения атомов. Вот атом с простейшим, наиболее легким ядром. Вокруг него обращается один электрон. Это атом водорода. Рядом с ним более тяжелый атом, ядро которого удерживает два электрона. Это гелий. Перемещаясь вдоль таблицы Менделеева, мы встречаем все более тяжелые атомы, содержащие все большее число электронов.

Менделеев, создавая свою систему, опирался на периодическое повторение химических свойств, сопутствующее возрастанию атомных весов. При этом ему в нескольких случаях пришлось отдать предпочтение периодичности и поставить более тяжелые атомы перед более легкими. Теория, построенная на постулатах Бора, показала, что Менделеев сделал правильный выбор. Химические свойства атома определяются не его весом, а строением его электронной оболочки, количеством электронов, окружающих ядро, в конечном итоге электрическим зарядом ядра.

Стала ясной и связь между химическими свойствами атомов и их спектрами. В химических реакциях и в образовании оптических спектров участвуют только самые внешние электроны атома.

Бор, естественно, начал с самого простого атома, атома водорода. Применив к нему свои постулаты, Бор увидел, что единственный электрон этого атома может вращаться по различным орбитам. Чем больше орбита, тем больше и энергия движения электрона. При переходе электрона с удаленной орбиты на более близкую избыточная энергия излучается в виде фотона вполне определенной частоты. Для того чтобы перейти с внутренней орбиты на внешнюю, электрон должен получить добавочную энергию. Эту энергию он может получить, поглотив подходящий фотон из окружающего поля. Подходящий в том смысле, что энергия поглощенного фотона должна быть в точности равна той энергии, которая нужна электрону для перехода с орбиты на орбиту.

Если энергия фотона будет больше или меньше необходимой, фотон не будет поглощен. Не претендуя на точность, можно сказать, что, пытаясь поглотить такой нерезонансный фотон, электрон «не допрыгнет» до нужной орбиты или «перескочит» через нее и будет вынужден вернуться в исходное состояние, предоставив фотону лететь своим путем.

Еще одна драма

По мере развития квантовой теории физикам пришлось отказаться от наглядного представления орбит электронов в атомах. Но суть, заключающаяся в существовании определенного набора допустимых значений энергии, осталась. Теперь мы говорим об этих значениях энергии, как об энергетических уровнях и о переходах между уровнями.

Энергетические уровни присущи не только электронам внутри атомов. Колебания атомов в молекулах и вращение молекул тоже могут происходить только с вполне определенными частотами, а следовательно, и энергиями.

Поглощение и излучение изменяют внутреннюю энергию атома или целого коллектива атомов подобно тому, как приход и расход влияют на сумму денег, лежащую в кассе.

Поглощение и излучение входят во все рассуждения вполне равноправно. Между тем в каждом конкретном случае один из этих процессов преобладает.

Это звучит парадоксально. Как же может преобладать один из равновероятных процессов?

Здесь имеется небольшая хитрость. Природа такова, что равноправность соблюдается лишь для отдельного атома. Обладая избыточной энергией, он отдает ее так же охотно, как приобретает, если у него этого избытка нет.

Если бы удалось создать газ, все атомы которого обладают избытком энергии, они должны были бы дружно излучать ее.

Но во всех случаях, с которыми имели дело люди, в газах всегда преобладают атомы, стремящиеся поглотить энергию, атомы-приемники.

Поэтому газы всегда поглощают свет и радиоволны.

Соотношение между числом атомов-приемников и атомов-передатчиков, стремящихся избавиться от избыточной энергии, управляется законом, открытым в прошлом веке Больцманом. Этот закон чрезвычайно универсален. Вот простой пример его действия.

Уже давно определено, что давление воздуха над поверхностью Земли зависит от высоты. Причина этого выяснилась, лишь когда Больцман догадался связать изменение давления с энергией, необходимой для преодоления земного тяготения. Ведь молекулы воздуха движутся с различными скоростями. Быстрые, обладающие большими запасами энергии, могут забраться выше. Но таких молекул мало. Подавляющее большинство из них принуждено почти все время проводить внизу. Конечно, сталкиваясь между собой, молекулы постоянно обмениваются своими запасами энергии, и поэтому каждая из них имеет шанс подняться на большую высоту. Но барометр реагирует не на состояние отдельной молекулы. Давление — это результат действия огромной массы молекул.

Распределение молекул по их энергии в поле тяжести — самая наглядная иллюстрация закона Больцмана. Он применим не только к молекулам, но и к любым коллективам из большого числа частиц, в том числе и к коллективам, подчиняющимся квантовым закономерностям.

Конечно, как большинство законов, закон распределения 'Больцмана применим не всегда. Он неприменим, например, если вещество подвергается нагреванию или охлаждению. Но стоит подождать, пока установится тепловое равновесие, и в соответствии с этим законом частиц с большой энергией будет меньше, чем таких же частиц с малой энергией.

Вопрос о взаимодействии электромагнитного поля с веществом, который и привел Планка к открытию принципа квантования, таил в себе одну, казалось, непреодолимую трудность. Трудность, неразрешимую не только в рамках классической физики, но и с привлечением боровской теории строения атома.

Тупик возникал при попытке понять взаимодействие электромагнитного поля с атомами, если частота поля совпадала с частотой спектральной линии атомов.

За дело — вскоре после первой мировой войны — взялся Эйнштейн. Со свойственным ему стремлением отдавать предпочтение глубокому физическому анализу, а не сложной математике, он начал с осмысливания опытных фактов.

Оптикам и до Эйнштейна было известно, что самопроизвольное излучение атомов не зависит от внешних условий, а определяется только свойствами атомов. Напротив, поглощение растет вместе с интенсивностью падающего света. Но никто до него не обратил внимания на то, что эти твердо установленные факты приходят в противоречие с законами термодинамики.

Это был решающий шаг. Второй требовал интуиции и решимости. Вскрыв корень трудностей, нужно было найти выход. Эйнштейн предположил, что в природе существует третий, еще неизвестный процесс, обеспечивающий выполнение законов термодинамики, в справедливости которых убеждал весь опыт человечества. Этот процесс должен был приводить к излучению света, причем оно должно расти при освещении атомов внешним источником.

Очень простые вычисления показали Эйнштейну, что его догадка верна. Оказалось, что внешнее резонансное поле заставляет атомы испускать свет, совершенно неотличимый от падающего света, причем тем сильнее, чем сильнее падающий свет.

Это был чисто теоретический вывод. Вынужденное излучение не поддавалось наблюдению потому, что его маскировало более сильное поглощение. И это не удивительно. Ведь в обычных условиях атомов-приемников всегда больше, чем атомов-передатчиков. А из вычислений Эйнштейна следовало, что действие каждого атома-приемника способно скомпенсировать действие одного атома-передатчика. Значит, в избытке всегда остаются атомы-приемники и их поглощающее действие должно преобладать.

Несмотря на то, что и после работы Эйнштейна никому не удалось наблюдать вынужденного излучения, оно время от времени привлекало внимание ученых. Сам Эйнштейн вместе с М. Эренфестом в 1923 году вернулись к удивительному свойству вынужденного излучения увеличиваться вместе с падающим светом. Заинтересовался им и один из создателей квантовой физики, П. Дирак. Он подробно излагает все это в своем замечательном учебнике квантовой механики, особенно подчеркивая, что фотоны, рождающиеся при вынужденном излучении, неотличимы от потока падающих фотонов. Они вливаются в этот поток и усиливают его.

В 1939 году молодой в то время Валентин Александрович Фабрикант в докторской диссертации, которую он защищал перед ученым советом ФИАНа, посвятил специальный раздел вопросу о возможности наблюдения вынужденного излучения в лабораторных условиях. Он сказал, что это, по его мнению, вполне возможно, и даже указал, что для этого надо сделать. Достаточно добиться того, чтобы атомов, обладающих минимальной энергией, было меньше, а атомов с большей энергией стало больше, чем при равновесии.

Если равновесие будет нарушено так сильно, что атомов с максимальной энергией станет больше, чем атомов с меньшей энергией, утверждал он, то вместо поглощения света такая среда будет усиливать свет. Да, именно усиливать. Это следует из старой формулы Эйнштейна. Световая волна, попав в такую среду, встретит на своем пути больше атомов-передатчиков, способных испустить фотон, чем атомов-приемников, стремящихся его поглотить. Поэтому по мере продвижения волны в этой среде число фотонов будет возрастать, а энергия волны будет увеличиваться.

К сожалению, в то время ни сам Фабрикант, ни члены ученого совета не поняли, какие огромные возможности таит в себе небольшой раздел его докторской диссертации.

Таких случаев история науки знает немало.

Не раз формулы и уравнения, написанные и созданные учеными, оставались ими же непонятыми. «Невозможно избавиться от ощущения, что эти математические формулы существуют независимо от нас и живут собственной разумной жизнью, что они умнее нас и умнее даже их создателей», — сказал как-то Генрих Герц, который открыл те самые радиоволны, предсказанные теоретически Максвеллом, в которые сам долго не верил и в которые не верили другие ученые несколько десятков лет после гениального предсказания Максвелла. «Мы извлекаем из этих формул больше того, что было в них заложено», — добавляет он. А иногда и меньше, добавляем мы, потому что история науки дает нам десятки тому примеров.

Так было с Дираком в 1928 году, когда созданное им уравнение подкинуло ему первую античастицу

и он не узнал ее. Дирак не искал ее, у него не было намерения искать антимир, его подарила ему написанная им формула. И он настолько не был к этому подготовлен, что долго не мог ничего сообщить своим коллегам, требующим от него объяснения по поводу столь неожиданного поведения его уравнения. В течение нескольких лет существовал заговор молчания вокруг находки Дирака, пока он сам не понял поразительного факта: наряду с веществом в мире существует и антивещество. И это так же верно, как то, что он, Дирак, сделал гениальное открытие.

Ведь так было и с Максом Планком — с его квантом. Квант энергии долго оставался каким-то пугалом, непонятным ни Планку, ни другим ученым. Некоторые из них, как известно, даже грозились отречься от физики, если возмутительная теория Планка не будет опровергнута.

Именно так и случилось с предсказанием Эйнштейна и Дирака относительно вынужденного излучения веществ. Эти формулы тоже не были прочтены учеными. Они не были прочтены и в диссертации Фабриканта! И самому ее автору, как видно, не показались настолько важными, чтобы бросить все дела и заняться только этим вопросом. А может быть, виной была начавшаяся вскоре война, которая перевернула многие жизни и судьбы и вытеснила собою все другие дела.

Теперь можно лишь гадать и строить предположения. А они у разных людей различны. Некоторые физики даже говорят, что в диссертации Фабриканта все сказано в такой завуалированной форме, что не мудрено было и не заметить самого главного. А другие считают, что иначе в то время быть не могло. Выразись Фабрикант более определенно, его могли обвинить в пренебрежении вторым законом термодинамики.

Эта подспудная часть предыстории лазеров и мазеров достаточно трагична, чтобы давать пищу для размышлений еще не одному поколению физиков. Это действительно драма, драма идей, как выразился однажды Эйнштейн.

А если… наоборот?

Шагнем теперь через десять лет, прошедших после полузабытого заседания ученого совета, и вернемся в Физический институт, где Басов и Прохоров при помощи радиоспектроскопии изучали строение молекул и свойства атомных ядер.

Для этого они, помните, помещали исследуемые вещества в волновод — прямоугольную металлическую трубу, по форме напоминающую внешнюю часть длинного спичечного коробка, — и пропускали через этот волновод сантиметровые радиоволны. Изменяя длину посылаемой волны, они наблюдали, как изменяется поглощение этой волны в газе, заполняющем волновод. Таким образом они получали спектр исследуемого вещества. Обрабатывая полученные данные при помощи квантовой теории, добывали новые данные о молекулах и атомных ядрах.

Мы оставили их в тот период, когда они реально ощутили, как вынужденное испускание части молекул притупляет чувствительность радиоспектроскопа. Это испускание приводило к тому, что в образовании изображения спектральной линии принимала участие только очень малая часть молекул, находящихся в радиоспектроскопе.

Басов и Прохоров знали, что спектральные линии, лежащие в сантиметровом диапазоне, возникают в результате переходов между очень близкими энергетическими уровнями. При комнатных температурах на этих уровнях находится почти одинаковое количество молекул. Точнее, число молекул на нижнем из этих уровней лишь на тысячную долю (или даже еще меньше) превосходит число молекул на верхнем из них.

Но, как доказал Эйнштейн, каждая молекула, находящаяся на верхнем уровне, должна под воздействием резонансной электромагнитной волны перейти на нижний уровень и излучить фотон с точно такой же вероятностью, с какой молекула, находящаяся на нижнем уровне, поглотит фотон из этой волны и перейдет на верхний уровень. Если из каждой тысячи молекул, находящихся на нижнем уровне, только одна не имеет пары, находящейся на верхнем уровне, то фактически поглощать электромагнитную энергию будет только она одна. Та энергия, которая поглощается остальными, будет полностью компенсироваться за счет вынужденного излучения. Молекулы-передатчики — вот кто мешал им наблюдать свойства молекул-приемников!

Басов и Прохоров, как и другие ученые, занимавшиеся радиоспектроскопией, знали, что, понизив температуру газа, они увеличат поглощение. Потому что молекул-передатчиков станет меньше. При понижении температуры они в буквальном смысле слова вымораживаются! Но, к сожалению, этим путем нельзя достичь многого. Дело в том, что давление большинства газов очень быстро падает при уменьшении температуры. А при температурах в 100–200 градусов ниже нуля большинство их превращается в жидкости. Поэтому чрезмерное понижение температуры вновь ухудшает работу радиоспектроскопа.

Нужно было искать другой путь увеличения чувствительности.

Многие спрашивают: почему молекулярный генератор был изобретен именно радиофизиками? Ведь и Басов, и Прохоров, и Таунс начали свой путь в науке как радиофизики. Почему молекулярный генератор не был изобретен Фабрикантом, который еще в 1939 году знал о принципиальной возможности лабораторного получения вынужденного испускания? Знали о ней и десятки других физиков, присутствовавших на защите его диссертации и читавших ее в трудах Всесоюзного электротехнического института, вышедших годом позже.

Более того, Фабрикант и его сотрудники в 1951 году подали заявку на изобретение способа усиления электромагнитных волн при помощи вынужденного излучения. К сожалению, публикация заявки состоялась только в 1959 году, когда молекулярный генератор уже работал. Впрочем, об этом немного позже. Все объяснится само собой.

Ничего не зная об открытии Фабриканта, Басов и Прохоров пришли к заключению о том, что наиболее радикальный путь увеличения чувствительности радиоспектроскопов состоит в создании условий, при которых молекул-передатчиков останется совсем мало и своим излучением они не будут компенсировать поглощение. Тогда поглощение увеличится. Увеличится и чувствительность прибора.

Но Басов и Прохоров были радиофизиками и, сделав первый шаг в рассуждениях, они должны были сделать и сделали второй. Поглощение и излучение — две стороны одного процесса, рассуждали они. Если поступить наоборот и оставить молекул-передатчиков больше, чем приемников, тогда преобладающим процессом будет излучение, а не поглощение. Тогда такое вещество будет усиливать подходящую волну, а не ослаблять! Добавляя к ее энергии свою, атомы сыграют роль усилителя.

Так мог рассуждать каждый спектроскопист. И спектроскопист предложил бы сделать спектроскоп, в котором можно наблюдать не спектры поглощения, а спектры вынужденного излучения. Трудно сказать, почему ни один спектроскопист этого все же не сделал.

По-видимому, так же рассуждал и Фабрикант. Он подошел к проблеме глубже, чем это сделал бы воображаемый спектроскопист, и предложил использовать такую среду для усиления электромагнитных волн.

Занимаясь радиоспектроскопией, Басов и Прохоров проделали весь путь этих умозаключений, но культура общей теории нелинейных колебаний, присущая школе академиков Мандельштама и Папалекси, не дала им остановиться. Они знали, что в новой неведомой области действуют те же общие законы, которые управляют обычной радиотехникой. А эти законы говорят: если у тебя есть усилитель, то, введя обратную связь, то есть подав усиленный сигнал обратно на вход усилителя, ты получишь генератор.

Как сделать усилитель, они уже знали (хотя только в принципе). Для этого нужно создать среду, в которой молекул-передатчиков будет больше, чем молекул-приемников. Осталось придумать, каким образом осуществить обратную связь.

Это показалось им нетрудным делом. Для этого достаточно поместить усиливающую среду в резонатор. Тогда электромагнитная волна, проходя через нее и отражаясь от стенок резонатора, будет усиливаться все сильнее и сильнее. При этом, конечно, нужно все время поддерживать среду в состоянии, при котором большинство молекул стремится излучать и лишь меньшинство из них способно поглощать радиоволны.

Законы теории колебаний далее гласили: если среда усиливает так сильно, что усиление превосходит все потери энергии в резонаторе, то система станет генератором. Это значит, что даже в отсутствие внешнего электромагнитного поля в ней возникает и быстро нарастает до определенной величины электромагнитное поле.

Так Басов и Прохоров пришли к мысли о возможности применения молекул и атомов не только для усиления, но и для генерации радиоволн. Будучи радиофизиками, они поняли, что радиоволны, полученные таким способом, должны обладать необычайно высокой, несравненно более высокой, чем где бы то ни было, стабильностью частоты. И если возможность применения молекул для усиления не показалась им в то время достаточно важной (как это было и с Фабрикантом), то возможность генерации сверхстабильных колебаний заставила их приняться за работу.

Прежде всего нужно было научиться создавать среду с преобладанием молекул-передатчиков. Такую среду они назвали активной — ведь она должна была усиливать, а при подходящих условиях и генерировать радиоволны. Неравновесное состояние, в котором должна находиться активная среда, они назвали инверсным (обращенным) состоянием, потому что распределение молекул при этом, грубо говоря, «обратно» обычному их распределению в природе.

Научиться создавать активную среду. Как буднично это звучит! Но им предстояло создать вещество, стремящееся избавиться от скрытой в нем избыточной энергии.

Вспомнив о порохе и атомной бомбе, читатель может улыбнуться. Ведь известно множество веществ, способных выделять огромные запасы внутренней энергии. Но такие вещества не подходили нашим ученым. Ведь при выделении энергии они разрушаются, превращаются в другие вещества. А Басову и Прохорову нужно было создать вещество, которое могло отдавать энергию, оставаясь самим собой, как остается сама собой расправляющаяся пружина.

Правда, незадолго до того, в 1951 году, Пэрселл и Паунд сумели на короткий миг получать активное вещество. Они быстро переворачивали кусок кристалла фтористого лития в магнитном поле. При этом буквально переворачивались и энергетические уровни ядер лития и фтора. А так как в начале опыта все было в равновесии и большинство частиц располагалось на нижнем уровне, то после переворота большинство оказывалось «наверху». И кристалл приходил в равновесие, испуская немного радиоволн.

Да, это было близко к тому, что им было нужно, но и очень далеко. Пэрселл и Паунд действительно воспроизвели своеобразную расправляющуюся пружину. Но ведь ее нужно снова сжимать (вновь и вновь переворачивать кристаллы). А Басов и Прохоров нуждались в постоянно самообновляющейся активной среде. Они должны были создать механизм, автоматически поддерживающий среду в активном состоянии, или придумать процесс, при помощи которого можно подавать в прибор только молекулы-передатчики. Причем каждый отработавший передатчик нужно немедленно автоматически выбрасывать вон и заменять новым. Или надо было научить прибор замечать момент, когда молекула-передатчик испустит фотон, и, не дав ей долго просуществовать в состоянии приемника, вновь впрыснуть в нее избыточную энергию.

Вы заметили? Физики рассуждают об атомах и молекулах так, словно это стулья или столы, которые можно двигать, переставлять с места на место и вообще делать с ними, что хочешь! Они совершенно спокойно раздумывают о том, что молекул-передатчиков надо иметь в веществе больше, чем молекул-приемников, что слабых надо как-то отделить от сильных, чтобы они не мешали друг другу! Но как это сделать?! Как осуществить?! Разделить можно яблоки: по цвету, величине, по спелости. Собак — по масти, росту; монеты — по стоимости. Разделить можно почти любые видимые предметы. Но как это сделать с невидимыми, абсолютно похожими друг на друга молекулами? Как в одну сторону отделить слабейших, в другую — сильных? Когда думаешь об этом, задача кажется просто фантастической, немыслимой — как, чем здесь орудовать?!

И тем не менее Басов и Прохоров придумали много способов получения активной среды. Расчеты показали им, что часть из этих способов можно реализовать в лабораторных условиях. С некоторыми из них мы еще встретимся в этой книге. Но начинать надо было с самого надежного, самого эффективного и простого.

Дух изгнанья

Они решили начать с метода, история которого восходит к знаменитым опытам О. Штерна и В. Герлаха, впервые доказавшим, что нейтральный атом может обладать магнитными свойствами наподобие маленького магнитика. Стремясь сохранить свою ориентацию в пространстве, он ведет себя как крошечный волчок-гироскоп.

В своем опыте, произведенном в 1924 году, Штерн и Герлах пропускали пучок атомов серебра вдоль полюсов сильного магнита. Пучок получался испарением капельки серебра в вакууме. Испарившиеся атомы вылетали через небольшое отверстие в камеру, где помещался магнит. Там, конечно, тоже поддерживался вакуум, чтобы атомы летели, не испытывая никакой помехи. Если бы полюсы магнита были плоскими, а атомы действительно вели себя как магнитики, то они летели бы по прямым путям. Но Штерн и Герлах сделали полюсы своего магнита не плоскими, а придали им форму клиньев, направленных остриями один к другому. Силовые линии магнитного поля между такими полюсами очень искривляются, а само магнитное поле сильно изменяется по величине. Пролетая вдоль таких полюсов, атомы-магнитики летят не по прямым, а по криволинейным путям.

В конце своей установки Штерн и Герлах поместили стеклянную пластинку. Если магнит в камере отсутствовал, то на пластинке постепенно осаждалось небольшое пятнышко серебра. Но вот магнит установлен и опыт начался. Он должен определить, подчиняются ли атомы серебра законам классической физики или к ним применима теория Бора.

Классическая физика говорит, что отклонение атомов должно зависеть только от того, как направлена в пространстве их магнитная ось. С точки зрения классической физики ни одно направление не может быть предпочтительным. Значит, и отклонения у различных атомов могут быть любыми. Таким образом, руководствуясь законами классической физики, можно было ожидать, что атомы серебра, прилетев к пластинке, осядут на ней не пятнышком, а длинной полоской.

Основываясь же на квантовой теории Бора, Штерн и Герлах ожидали иного. По догадке Бора атомы-магнитики могут принимать в магнитном поле три положения. В этом случае ученые ожидали увидеть на пластинке не множество точек, образующих полоску, а только три точки.

Каково же было их удивление, когда они обнаружили на стеклянной пластинке вместо трех лишь две серебряные точки! Все оказалось гораздо сложнее. Опыт показал, что атомы серебра могут принимать в магнитном поле только два положения: вдоль поля и навстречу ему. Было ясно, что первоначальная квантовая механика Бора недостаточна для описания микромира. Нужно было построить более точную теорию. Впоследствии детали поведения микрочастиц во внешних полях были поняты и объяснены новой квантовой теорией, созданной Гейзенбергом, Шредингером и де Бройлем.

Этот опыт, впервые доказавший, что направление осей атомов в пространстве подчиняется законам квантовой механики, с первого взгляда не имеет отношения к нашей истории. Басов и Прохоров, изучив этот опыт и вооружившись новой теорией, вернулись к нему, чтобы использовать в своих целях. Они обратили внимание на то, что энергия атомов серебра в поле магнита в обоих пучках была различной. Штерн и Герлах просто об этом не думали. Цель у них была другой. Басов же и Прохоров обратили внимание на этот опыт именно потому, что он скрывал как раз то, что они искали. Разделив пучки при помощи простой диафрагмы, можно было получить готовый пучок активных атомов серебра!

Умение видеть скрытую суть явлений — одна из черт настоящего ученого. Басов и Прохоров рассмотрели в опыте Штерна — Герлаха то, о чем, несомненно, знали и другие. Знали, но оставляли без внимания. Ведь атомы, разделявшиеся на два пучка, отличались не только направлением своих осей, но и своей энергией в поле магнита. В одном летели атомы-передатчики, в другом — атомы-приемники.

Казалось, пути решения задачи ясны. Достаточно воспроизвести установку Штерна и Герлаха, дополнить ее диафрагмой, пропустить пучок атомов-передатчиков через подходящий резонатор, и атомы серебра начнут генерировать электромагнитные волны.

Но расчеты показали, что это не так. Таким простым путем невозможно получить настолько интенсивный пучок активных атомов, чтобы он не только компенсировал потери лучшего из резонаторов, но и излучил энергию в пространство.

К счастью, Басов и Прохоров были уже достаточно опытными исследователями, чтобы понимать, что простое повторение редко ведет к цели. Они знали, что избранное направление правильно, но надо искать дальше.

Теория подсказывала, что электрические поля в микромире действуют много сильнее, чем магнитные. Но, к сожалению, атомы не обладают электрическими свойствами, напоминающими свойства магнита. Значит, нужно было отказаться от применения атомов. Они перешли к молекулам. Почему? А потому, что многие молекулы оказываются электрическими двойниками магнитов. Молекулы в обычном состоянии электрически нейтральны, то есть у них положительные и отрицательные заряды равны. Но у многих из них центры, соответствующие расположению положительных и отрицательных зарядов, не совпадают. В результате в молекуле возникают «положительный конец» и «отрицательный конец», в какой-то мере похожие на северный и южный концы магнитной стрелки. Такие молекулы ведут себя в поле электрического конденсатора так же, как наэлектризованные палочки из бузины, которые обычно показывают в школе при опытах по электростатике. В электрическом поле плоского конденсатора они поворачиваются, как стрелка компаса в поле магнита. Неоднородные электрические поля отклоняют их так же, как неоднородные магнитные поля отклоняют атомы серебра.

Задолго до работ Басова и Прохорова ученики и последователи Штерна, к счастью, хорошо разработали установки для опытов с пучками различных молекул. В частности, были созданы конденсаторы специальной формы, которые способны фокусировать молекулы примерно так же, как стеклянные линзы фокусируют свет. Очень много в этой области сделали харьковские физики Корсунский и Фогель.

Осталось подобрать подходящую молекулу. Но и здесь им на помощь пришел коллективный опыт ученых.

Наиболее изученной радиоспектроскопистами в то время, а может быть и сейчас, была молекула аммиака. Именно у этой молекулы Клитон и Вильям еще в 1934 году обнаружили спектральные линии в сантиметровом диапазоне радиоволн. Уже в сороковых годах ее структура и электрические свойства были хорошо изучены. Естественно было проверить, не подойдет ли аммиак для новой работы?

Расчеты показали, что, пролетая вдоль оси конденсатора, состоящего из четырех стержней, попеременно заряженных положительным и отрицательным зарядом, более энергичные молекулы аммиака соберутся к оси конденсатора, а слабенькие уйдут в стороны.

Когда впервые был поставлен этот опыт, зрители могли воочию наблюдать картину борьбы между молекулами и силовым полем конденсатора. Водоворот поля захлестывал их, как прибой пловцов. Сильные пловцы обычно выбираются на берег, а слабых втягивает в пучину. Так и стихия электрических сил по-своему расправлялась с молекулами. Более слабые из них втягивались в область сильного поля к стержням конденсатора, другие, более сильные, пролетали мимо этой области, приближаясь к его оси. Поле сортировало молекулы. Оно оказалось своеобразным стрелочником, направляющим по различным путям молекулы, отличающиеся запасом энергии.

А затем, поставив за конденсатором резонатор с отверстием, совпадающим с осью конденсатора, можно было заставить активные молекулы проходить сквозь резонатор, не пуская в него молекулы, стремящиеся к поглощению.

При взгляде на квадрупольный конденсатор невольно вспоминается знаменитый «печальный демон, дух изгнанья». Максвелл призвал его, чтобы убедить сомневающихся в том, что без затраты энергии невозможно отобрать из сосуда с газом молекулы, энергия которых превосходит среднюю. Максвелл выпустил на сцену своего демона, чтобы доказать, что подобная работа не может быть выполнена никаким механизмом. Это запрещено одним из наиболее общих законов природы — вторым началом термодинамики. И нарушить его может только «нечистая сила». Многие пытались сразиться с демоном Максвелла. Это были не только изобретатели вечного двигателя, особого теплового вечного двигателя, который соблазнял людей возможностью получать работу без передачи тепла от нагретого тела к холодильнику. То есть без затраты топлива или без затраты энергии на работу холодильника. С демоном Максвелла сражались и ученые, которым казалось, что второе начало термодинамики не имеет всеобщей силы и его можно обойти. Все такие попытки терпели поражение. Демон брал верх. Но, применяя молекулярные пучки и электрические поля, ученым в полном согласии с коварным вторым началом термодинамики удалось найти способ отбирать молекулы, обладающие избыточной внутренней энергией, отсеивая те из них, которые имеют малую внутреннюю энергию. В полном согласии потому, что «платой» за отбор является энергия, затраченная на создание упорядоченного молекулярного пучка. Именно изолированность молекул в пучке, где они как бы выстраиваются в очередь перед конденсатором, чтобы он опознал, какие из них сильные, а какие слабые, позволила посрамить дьявола. Хоть затраты энергии на создание пучка и больше энергии радиоволн, которые Басов и Прохоров надеялись получить от пучка, но радиоволны эти должны были обладать недостижимой ранее стабильностью частоты.

Схема небывалого генератора приобретала конкретный вид. Нужно было взять большой сосуд. Откачать из него воздух. Впустить в него тонкий пучок молекул аммиака. Поставить на пути пучка конденсатор, а потом резонатор. Подать на конденсатор высокое напряжение. При этом в резонатор будут влетать только активные молекулы. И если таких молекул окажется достаточно много, генератор заработает.

Может быть, перед тем, как пойти дальше, следует попытаться ответить на вопрос, поставленный в начале этой главы. Почему же это сделали радисты?

Конечно, бесспорного ответа на этот вопрос не существует. Но, несомненно, важную роль сыграло то, что только радиофизики удачно сочетают знание квантовой теории и спектральных закономерностей с владением теорией колебаний и пониманием роли обратной связи. Важно и то, что радиофизики, как никто, понимали практическое и научное значение возможности получения сверхстабильных колебаний. Ученые, работающие в других областях физики, например оптики, хорошо знающие и квантовую теорию и спектры, равнодушны к проблеме стабильности; да и задача усиления света казалась им в то время интересной, но не очень важной для науки и техники.

Для радиофизика сверхстабильный генератор — это сверхточное измерение времени и расстояний, это новые навигационные системы, увеличение точности географических карт, новые возможности исследования космоса и многое другое.

Ради этого стоило потрудиться!

Штурм

Итак, расчеты показали Басову и Прохорову, что прибор, в котором молекулы будут излучать радиоволны — молекулярный генератор, осуществим. Принципиальная схема генератора была им ясна. Можно приступать к работе. Но даже ученых, имеющих большой опыт в области радиоспектроскопии, здесь на каждом шагу встречали неприятные сюрпризы.

Схема задуманного ими прибора только в основных чертах напоминала схему обычного генератора. При ближайшем рассмотрении на первый план выступали различия.

Прежде всего источник энергии. Обычные радиосхемы питаются от батарей или аккумуляторов или же от электрической сети через специальные выпрямители. Здесь источником энергии будут служить молекулы. Миллиарды миллиардов молекул аммиака должны ежесекундно превращать часть своей внутренней энергии в энергию радиоволн. Эту массу молекул необходимо направить в генератор, и не как-нибудь, а в виде упорядоченного пучка, в котором они летели бы почти параллельно одна другой, не сталкиваясь ни между собой, ни с молекулами воздуха.

Создать такой пучок можно только в вакууме. Иными словами, все детали молекулярного генератора должны находиться в сосуде, из которого воздух откачан специальными насосами так сильно, что давление в нем составляет примерно миллиардную часть нормального атмосферного давления.

Достигнуть такого разрежения в замкнутом сосуде не очень сложно. Современные вакуумные установки способны обеспечить и много более сильное разрежение. Но ведь во время работы генератора в него необходимо непрерывно впускать полчища молекул аммиака. Для того чтобы и при этом поддерживать в нем необходимый вакуум, пришлось бы прибегнуть к слишком мощным насосам.

Басов и Прохоров предпочли отказаться от решения задачи в лоб. Они задумали воспользоваться тем, что при температуре в -77,7 градуса Цельсия аммиак уже затвердевает. Конечно, эта температура еще недостаточна для обеспечения нужного вакуума, но экспериментаторы решили применить для вымораживания аммиака жидкий азот, температура которого еще на 123 градуса ниже. Попав на поверхность, охлажденную жидким азотом, почти каждая молекула аммиака крепко-накрепко примерзнет к ней. Как прилипает муха к липкой бумаге, при помощи которой заботливый повар «откачивает» мух из своей кухни. По отношению к аммиаку холодная поверхность действует как хороший насос. Задумали, испробовали и убедились в том, что избранный способ «откачки» аммиака работал безупречно! При этом для удаления остатков воздуха потребовался совсем небольшой насос.

Далее. Пучок молекул аммиака направлялся из источника в сортирующую систему, в которой сильное электрическое поле отбрасывало в стороны ненужные, слабенькие молекулы, а молекулы, которые могли участвовать в генерации радиоволн, собирались к оси сортирующей системы и направлялись в резонатор. Казалось бы, что особенного? Резонатор — одна из привычных частей любого радиоприемника или передатчика. Но при работе на длинных или коротких волнах резонатор состоит из конденсатора и катушки индуктивности — это всем известный простейший резонансный контур. В диапазоне же сантиметровых волн обычные конденсаторы, и катушки неприменимы. Их место занимают металлические полости, которым обычно придается форма цилиндров или прямоугольника — объемные резонаторы. Корпуса скрипок и других струнных инструментов, специальные отсеки в радиоприемниках высшего качества, органные трубы — это ведь тоже не что иное как резонаторы, только акустические. Их задача — выделять и подчеркивать колебания тех частот, на которые они настроены. Металлические полости делают это по отношению к радиоволнам.

Басов и Прохоров должны были подобрать для своего генератора резонатор такой формы, чтобы он обеспечил как можно большую стабильность частоты колебаний. Электрическое поле в нем они решили направить так, чтобы пучок молекул летел вдоль электрических силовых линий. Соответствующим образом надо было проделать и отверстия в резонаторе. Только когда молекулы будут лететь вдоль гребней волн электрического напряжения, тогда наверняка влияние резонатора на частоту колебаний будет минимально. Вот какую трудную работу задали они механикам. И пока те изготавливали экспериментальный прибор, Басов и Прохоров еще и еще раз просчитывали и проверяли теорию его работы. Вот что говорили им формулы.

Если напряжение, подводимое к сортирующей системе, достигнет 25 тысяч вольт, то практически все молекулы-приемники будут отброшены к поверхности, охлаждаемой жидким азотом, и накрепко к ней примерзнут. В резонатор попадет «чистый» пучок молекул-передатчиков. Они будут пролетать сквозь резонатор вдоль его оси, излучая в нем кванты электромагнитной энергии.

Далее формулы предсказывали, что если резонатор удастся сделать достаточно хорошим, то электромагнитные волны, рожденные молекулами, будут неоднократно пробегать от оси резонатора к его стенкам и, отразившись от них, обратно к оси и снова к стенкам. Таким образом, волна, испущенная одними молекулами, будет заставлять излучать все остальные. И излучать не беспорядочно, а в такт с вынуждающей волной. Так резонатор осуществляет связь между молекулами, уже испустившими фотоны, и теми, которым еще только предстоит это сделать. Осуществляет то, что радисты называют обратной связью.

Наконец, предупреждали формулы, если молекулы достаточно активны и щедры, резонатор быстро, как ведро под весенним ливнем, начнет наполняться излученной ими энергией. И если снабдить резонатор антенной, энергия будет переливаться из «переполненного ведра» в окружающее пространство. Начнется трансляция своеобразной радиопередачи. Наполнение резонатора прекратится только тогда, когда электромагнитное поле внутри него станет столь сильным, что заставит молекулярный пучок излучать всю энергию, на которую он способен. Формулы даже определяли смысл этого расплывчатого выражения — «на которую он способен».

С первого взгляда может показаться, что лавинообразно возрастающее электромагнитное поле принудит к вынужденному испусканию каждую молекулу, пролетающую резонатор, и поэтому все они отдадут ему свою энергию. Но, увы… Это действительно было бы так, если бы не полная равноправность между процессами излучения и поглощения. Она приводит к тому, что, излучив полагающуюся им порцию энергии, часть молекул-передатчиков превращается в приемники. И переходит на иждивение к тем товаркам, которые не успели еще излучить. И начинает отбирать у них эту неизлученную энергию. И те, вместо того чтобы отдать энергию резонатору, отдают ее ослабевшим молекулам. В результате пучок активных молекул отдает резонатору не больше чем половину запасенной ими энергии.

Но это не было неожиданностью. Это, конечно, снижает кпд прибора, но с этим можно было мириться. Главное, чтобы прибор задышал. А формулы, сколь они ни верны, сколь оптимистические прогнозы из них ни вытекают, не могут обеспечить работы прибора. На пути к успеху нужны помощь механиков и радиотехников и филигранный эксперимент физиков.

В научной работе, как на любом фронте, действительность редко совпадает с планами. Многие стратеги убеждались в том, что планирование на бумаге по методу «первая колонна марширует, вторая колонна марширует» в действительности зачастую оборачивается пробками на дорогах.

Так случилось и с нашими друзьями. Через положенное время, которое казалось им непомерно долгим, в лабораторию принесли блистающий новизной металлический корпус генератора. К нему присоединили вакуумный насос. Теперь началась длительная и кропотливая работа, которую во всех лабораториях мира называют вакуумной тренировкой. Корпус оказался безупречным. Нужный вакуум получался неожиданно быстро. Можно было приступать к опробованию системы подачи аммиака.

И тут началось. Оказалось, что дозаторы, при помощи которых регулировалась подача исследуемых веществ в радиоспектроскопы, для аммиака не подходят. Они становятся жертвой коррозии. Пришлось срочно придумывать замену. В это же время принесли сортирующую систему. Электроды, отполированные до зеркального блеска, были промыты по всем правилам вакуумной гигиены. При испытании система выдержала заданное напряжение с большим запасом. Но через короткое время после пуска пучка молекул аммиака начались пробои. До этого никто не совмещал в условиях вакуума химическое действие аммиака с высоким напряжением. По-видимому, при этом из ничтожных загрязнений, оставшихся на поверхности электродов, начинали выделяться какие-то газы, что приводило к пробою. Пришлось подбирать новую технологию очистки электродов.

Много хлопот доставили и объемный резонатор с его системой точной настройки и приемник радиоволн. Этот приемник, рассчитанный на волну около 1,26 сантиметра, должен был работать и в режиме радиоспектроскопа, что необходимо в период наладки, и в режиме обычного приема. Причем в режиме приема нужно было обеспечить чувствительность намного большую, чем необходимо для приема расчетной мощности молекулярного генератора. Ведь никто не ждал, что расчетная мощность будет достигнута сразу. Для наладки нужны были и точная система измерения частоты и много других вспомогательных систем и устройств.

Нужно ли говорить, что в такие периоды ученые, которые и без того не знают, что такое нормированный рабочий день, засиживались в лаборатории до поздней ночи?

И вот наступил Этот День.

Победа

Два молодых человека не отрываясь смотрели на экран осциллографа. Они видели светящуюся линию, середина которой плавно уходила вниз и вновь вздымалась к прежнему уровню. Кривая больше всего напоминала парящую птицу. Так изображают птиц дети. Так рисовали их на своих картинах и старые японские мастера.

Один из физиков медленно вращал ручку прибора, и изгиб кривой постепенно уменьшался, пока она не превращалась в прямую линию. Затем на месте провала возникал плавный подъем. Действуя очень осторожно, можно было заставить кривую вознестись вверх так же, как она только что изгибалась вниз. Потом кривая опять выпрямлялась, и, наконец, на ней снова возникал провал.

Еще несколько дней назад это казалось очень интересным и важным. Но теперь изящная кривая вызывала досаду и отвращение. Ведь не для этого же, в самом деле, разбирали они прибор, полировали его детали, вновь и вновь откачивали из него воздух!

— Рискнем? — спросил Прохоров. Басов только кивнул. Движение руки. Стрелка вольтметра подскочила еще на несколько тысяч вольт. Вчера при этом неизбежно возникал пробой. Но теперь все было спокойно.

В который раз медленно вращается ручка прибора. И опять кривая превращается в прямую и начинает изгибаться вверх. Вдруг на ее вершине возникает узкая полоска.

Они переглянулись. Неужели?!

Все так же методично движется рука, вращающая рукоять прибора. Медленно увеличивается и расширяется полоска. И вот в ее середине отчетливо виден поясок.

Типичный бантик, — сказал один.

- Работает, — отозвался второй.

Так в лаборатории колебаний Физического института Академии наук СССР родился молекулярный генератор, поразительный прибор, сердцем которого был не мотор, не шестерни, не какие-нибудь другие детали. Главную роль в нем играли невидимые глазу молекулы аммиака. Они делали здесь то, чего никто никогда от них не ждал. Они излучали радиоволны.

Именно бантик на капризной кривой и возвестил ученым о долгожданной минуте.

Американскому ученому Франклину приписывают такие слова: «К чему новорожденный ребенок?»

Действительно, кто знает, что из него получится, что внесет он в жизнь.

Молекулярный генератор, как всякий новорожденный ребенок, обещал многое или ничего: все зависело от того, как пойдет дело дальше, чему его научат родители.

Никто не знает, как распространяются слухи. Физики убеждены, что они летят быстрее, чем свет. А это значит, что они не материальны. И на сей раз слух непостижимо проник через стены, полы и потолки. И распахнулась дверь, и в комнату начали входить научные работники, лаборанты, механики. Каждый хотел взглянуть на бантик, поздравить, а если позволят, и покрутить ручку. Конечно, такой чести удостаиваются далеко не все. Для этого нужно пользоваться большим уважением или принять хоть малое участие в работе, когда она еще безнадежно далека от завершения. И первым по праву положил руку на рукоять прибора В. В. Никитин, монтировавший и налаживавший радиосхемы, — в ФИАН он пришел радиотехником, потом стал студентом-заочником, а затем инженером, а позже научным сотрудником и кандидатом наук. Никитина сменил Д. К. Бардин, талантливый механик, сделавший, как говорят физики, «все железо». А «все железо» — это и точнейший резонатор из специального сплава — суперинвара, и корпус из нержавеющей стали, и конденсатор, и многое другое. И только потом к прибору прорвался маститый теоретик и неожиданно для всех закрыл вентиль баллона, из которого поступал аммиак. Бантик исчез и, к всеобщему восторгу, возник вновь, как только был открыт вентиль.

- Наука торжествует, — изрек теоретик и отошел в сторону.

Так физики празднуют победу. И при этом говорят только о том, что надо проверить, и измерить, и переделать. И праздник переходит в трудовые будни. И по-прежнему по утрам уборщица, выметая обрезки проводов и капли олова, вздыхает: «Кванты, кванты…» — и толкует своим подругам, работающим на других этажах:

- А мы запустили молекулярный генератор…

- Генератор. Что такое генератор? Генератор — это источник. Генераторы электрического тока достигли в наши дни огромных мощностей — в 300 и даже 500 тысяч киловатт.

Какова же мощность молекулярного генератора? Около одной миллиардной доли ватта. Жужжание комара куда мощнее.

Так что же привлекло к этому немощному прибору помыслы молодых ученых? Они стремились не к мощности, — а к точности. В их детище не было радиоламп, привычных конденсаторов и сопротивлений, всех этих деталей, порча которых терзает нервы владельцев радиоприемников и телевизоров. Нерукотворные молекулы, дружно-излучавшие радиоволны в новом приборе, сообщали ему свои качества — неизменность, постоянство, свойственное творениям природы. Расчеты показывали, что при помощи нового прибора можно измерять время так точно, как это никогда не удавалось людям. Часы, в которых функции маятника исполняет молекулярный генератор, и за 1000 лет не ошибутся ни на секунду. Конечно, в обыденной жизни такие часы ни к чему. Они необходимы для управления космическими ракетами, штурманам кораблей и самолетов, для решения многих технических задач.

Научные открытия зачастую рождаются близнецами. В это же время в США заработал прибор, которому его создатель Таунс и его сотрудники Гордон и Цайгер дали странное имя «мазер», составленное из первых букв фразы, описывающей на английском языке принцип действия прибора. После первых сообщений всем стало ясно, что в Физическом институте в Москве и в Колумбийском университете в Нью-Йорке независимо проводилась работа с одинаковым результатом.

Вскоре молекулярный генератор появился и в Институте радиотехники и электроники Академии наук, и в Метрологическом институте в Харькове, и во многих других местах. А затем в работу включилась и промышленность. Басов и Прохоров были вдохновителями всех основных работ в новой области науки, развившейся из их исследований.

…Приходилось ли вам следить за эстафетным бегом? Спортсмены, сменяя друг друга, несут палочку от старта до заветного финиша. И плох тот бегун, который, переминаясь с ноги на ногу, дожидается в начале своего участка, пока товарищ протянет ему эстафету. Такого никто не возьмет в команду. По его вине будут потеряны драгоценные мгновения. Хороший спортсмен начинает бег рядом с товарищем заранее, до того как тот окончит свою дистанцию, и палочка передается на полной скорости. Нелегко овладеть этим искусством.

Еще сложнее научная эстафета. Ее участники зачастую не видят друг друга и передают свою эстафету через редакции различных журналов. Реже им представляется возможность кинуть палочку в зал конференции или симпозиума. Поднимай, кто хочет, и неси дальше. И так, помогая друг другу и соревнуясь между собой, ученые несут светоч науки вперед и выше, к сияющим вершинам знания.

Вскоре после того, как приборы-близнецы заработали в Москве и Нью-Йорке, Прохоров и Таунс встретились на заседании Фарадеевского общества в Лондоне. Английские коллеги пригласили их, чтобы услышать о приборах, которые ознаменовали собой рождение новой области науки.

Прохоров прочитал подготовленный вместе с Басовым доклад, в котором излагалась созданная ими теория работы молекулярного генератора. В ней квантовая механика впервые объединялась с теорией колебаний. Этот союз позволил предвычислить условия, при которых генератор начинает работать, рассчитать даваемую им энергию, частоту его колебаний и определить влияние на эту частоту различных внешних воздействий. Такая теория очень напоминала теорию работы радиопередатчика, но молекулярный пучок заменял в ней и колебательный контур и источник питания обычного генератора.

Измерения, проведенные Басовым и Прохоровым в течение первых месяцев работы молекулярного генератора, подтвердили правильность их теории.

Таунс тоже рассказал о своих работах, но его теория оказалась более примитивной, а некоторые элементы конструкции делали американский прибор менее надежным. Дело в том, что, понимая необходимость вымораживания аммиака, Таунс и его сотрудники решили охлаждать жидким азотом непосредственно электроды сортирующей системы. В результате на электроды постепенно намораживался в виде белого инея твердый аммиак. Через некоторое время в сортирующей системе возникали пробои, и прибор приходилось выключать для размораживания и откачки аммиака. С этим, конечно, можно было бы примириться, но нарастание слоя аммиака еще задолго до наступления пробоев влияло на эффективность сортирующей системы. В результате постепенно менялась интенсивность пучка активных молекул, а это сильно воздействовало на частоту генерации. Не очень удачен был и выбор резонатора.

Но каковы бы ни были отдельные особенности обоих молекулярных генераторов, это, по существу, приборы-близнецы, сходства между ними много больше, чем различий.

Различия касались деталей. Общность охватывала основные принципы — получение энергичных молекул методом сортировки в электрическом поле и введение обратной связи при помощи резонатора.

Главную трудность в каждом деле представляет правильное определение цели работы и первый шаг в новом неизведанном направлении. Какие бы трудности ни возникали дальше, сколько остроумия и труда ни потребуется для их преодоления, они будут преодолены, если генеральный курс проложен верно. Весь прогресс человечества обеспечивается сочетанием бесстрашных прорывов в неизвестное, совершаемых одиночками, и титанического труда по освоению целины и уборке урожая, остающегося на долю большинства.

К чести Басова, Прохорова и Таунса, они не застыли на постаменте, подняв в будущее указующие персты, они не отошли от дальнейшей работы. Более, того, как мы увидим дальше, они не ограничились и разработкой найденной ими жилы. Все трое, как истинные новаторы, и в дальнейшем с успехом прокладывали новые тропы в незнаемое, с неутомимостью истинных тружеников прорубали широкие просеки в неведомую страну квантовой электроники.

Басов и Прохоров заботились и о расширении фронта исследований. Они размножили чертежи своего первого молекулярного генератора и щедро раздавали их всем желающим идти их путем.

Лаборатория колебания ФИАНа стала местом паломничества, в которое непрерывным потоком шли посетители, унося с собой не только чертежи, но и советы и, пусть небольшой, опыт обращения с новорожденным прибором. Теперь каждый желающий работать в области квантовой электроники мог погрузиться в ее истоки, покрутить ручки молекулярного генератора, наблюдая при этом за кривыми на экране осциллографа.

За первой ласточкой

Первый младший брат молекулярного генератора заработал в Институте радиотехники и электроники АН СССР, или попросту ИРЭ, если следовать принципу бытующих у нас сокращений.

И это произошло совсем не случайно. При организации ИРЭ в 1954 году в него из лаборатории колебаний ФИАНа перешла группа под руководством М. Е. Жаботинского. Он принадлежал к младшему поколению школы Мандельштама — Папалекси. Еще студентом он посещал семинары Л. И. Мандельштама, а дипломную работу выполнил под руководством М. А. Леонтовича. В ней развивалась теория рамочной антенны, работающей под землей, и теория распространения электромагнитных волн в трубах (в то время, в 1940 году, еще не было придумано слово «волновод»). В армии он, как и Прохоров, попал в разведку, но бес изобретательства не оставил его и на фронте. Войну он кончал в лаборатории, прерывая научную и конструкторскую работу для участия во фронтовых испытаниях. После войны под руководством С. М. Рытова прошел аспирантуру ФИАНа, защитив диссертацию через год после Прохорова. Помогал Прохорову в работе с синхротроном, а затем занялся применением спектральных линий для стабилизации частоты.

Еще в старом ФИАНе на Миусах Жаботинский вместе с аспиранткой Наташей Ирисовой и дипломником Виктором Веселаго создал систему, позволяющую управлять частотой клистрона (генератора сантиметровых волн) с помощью спектральной линии аммиака. Они научились сверять убегающую частоту клистрона с неизменно точной частотой молекул аммиака, как сверяем мы время от времени свои наручные часы по часам Спасской башни Кремля. Это была хитрая задача. Чтобы поставить наручные часы на точное время, нам нужно просто подвинуть стрелки. И все. Чтобы сверить частоту излучения радиогенератора с «позывными» такой крошечной радиостанции, как молекула, нужны особая изобретательность, своеобразная ловкость и обширные знания. Системы сравнения — это сплав физики и радио. Это узел, в котором завязаны фотоны и молекулы, волноводы и провода. Наука о квантовых стандартах частоты — это особая наука, без которой двадцатый век в электронике, возможно, не стал бы двадцатым.

На первых порах молодых ученых постигла неудача. Спектральная линия аммиака, получавшаяся в радиоспектроскопе и игравшая роль своеобразной стрелки, была слишком широкой и не позволяла добиться нужной им точности. Разве можно было бы прочесть точное время на циферблате, если бы часовая стрелка была толщиной в час или даже в минуту?

Тогда они обратились к другим «часам» — атомы цезия в установке, разработанной американским физиком Рэмси, обещали более узкие линии. Такие спектральные линии могли блестяще сыграть роль частотомера. С их помощью можно было очень точно мерить частоту колебаний генератора радиоволн и управлять его частотой.

Однако, узнав о рождении молекулярного генератора, они, естественно, решили применить его в своих работах. Не удивительно, что, опираясь на дружескую помощь Басова и Прохорова, они смогли сделать это сравнительно быстро.

Главное внимание в ИРЭ было обращено на создание специальных радиосхем, позволяющих использовать выдающуюся стабильность молекулярного генератора для проверки других приборов, работающих в радиодиапазоне. Без этого он оставался бы в какой-то мере «вещью в себе». Прежде всего они создали установку, позволяющую за несколько секунд калибровать кварцевые генераторы по сигналу молекулярного генератора. И делали это с фантастической точностью. Ошибка при этом не превышала двадцатой части от миллиардной доли измеряемой величины. Такая точность была достигнута впервые.

Работая в тесном контакте с. Басовым и Прохоровым, они занялись усовершенствованием молекулярного генератора. Прежде всего они подумали о том, что не везде есть жидкий азот и не всегда под рукой мощные вакуумные установки.

Как обойтись без них, не снижая выдающихся качеств молекулярного генератора?

Начались эксперименты. Ученые отыскивали наилучшие режимы работы генератора, видоизменяли его детали, подбирали более удачные источники, мудрили с откачкой.

Наконец, изменив устройство источника пучка молекул аммиака, им удалось сделать пучок гораздо более узким. Теперь большинство молекул попадало в отверстие резонатора. Для нормальной работы генератора в него достаточно было впускать в сотни раз меньше молекул аммиака, чем в старых малонаправленных источниках.

Это, казалось незначительное, достижение не замедлило дать плоды. Теперь можно было обойтись без вымораживания аммиака. С откачкой могли справиться сравнительно небольшие вакуумные насосы. Так ученым удалось создать молекулярные генераторы, способные работать в условиях, при которых обеспечение жидким азотом связано с большими трудностями.

Но жизнь многообразна. Встречаются и такие случаи, когда жидкий азот имеется в изобилии, но применению молекулярного генератора мешают вакуумные насосы. Они громоздки, требуют большого расхода энергии. Некоторые из них вызывают вибрацию и шум.

Новый экономичный источник молекулярного пучка помог решить и эту задачу. На его основе был создан молекулярный генератор, работающий без обычных вакуумных насосов. Их ролы с успехом выполнял древесный уголь, охлаждаемый жидким азотом. Еще замечательный химик Зелинский, изобретатель противогаза, использовал в нем способность древесного угля жадно поглощать различные газы. 'При охлаждении эта жадность чрезвычайно возрастала. Древесный уголь превращался в своеобразный вакуумный насос. Конечно, он не был ненасытным. Но в сочетании с новым экономичным источником молекулярного пучка очень небольшое количество угля не насыщалось в течение нескольких суток. А во многих случаях это вполне достаточный срок.

Наряду с такими чисто техническими усовершенствованиями в ИРЭ велись настойчивые поиски путей повышения точности генерации.

В некоторых случаях радистам недостаточно иметь одну стабильную частоту. Недаром говорят, что требования практики — одна из сил, движущих науку. Пока не возник этот заказ, никто не догадался спросить уравнения — не слишком ли много хотят от первенца новой науки? Но когда вопрос был поставлен, уравнения ответили — это возможно, и даже подсказали, как зажечь свечу с двух концов.

В этой работе принимала активное участие молодая сотрудница ИРЭ Галя Васнёва, окончившая тот же МИФИ, в котором в свое время учился Басов. Еще дипломницей она пришла в ФИАН и, включившись в работы по стабилизации частоты, продолжила эти исследования в новом институте. Когда я с ней познакомилась, это была тоненькая застенчивая девушка; защитного цвета блуза с погончиками, какие были модны в послевоенные годы, особенно подчеркивала ее женственность и юность. Как-то не верилось, что Галя может стать серьезным и деловым ученым. Однако уже через пару лет я увидела ее портрет в одной из московских газет. То, над чем она работала, привлекло внимание. Это была важная и серьезная работа даже для зрелого физика.

Она начала с того, что позади резонатора, в котором молекулы генерировали радиоволны, поставила второй резонатор, настроенный на другую частоту. На что она рассчитывала? Зачем пошла на усложнение?

Проследим за нитью ее рассуждений. Она обратила внимание на то, что не все молекулы, отбираемые сортирующей системой, обладают одинаковой энергией. Оказывается, пучок содержит несколько «сортов» активных молекул. Каждый из этих сортов немного отличается от других и поэтому способен излучать радиоволны, чуть-чуть различающиеся по частоте.

Галя знала: для того чтобы молекулярный генератор заработал, резонатор должен быть точно настроен на частоту определенного «сорта» молекул. Но при этом работает только одна часть пучка активных молекул. Остальные пролетают резонатор без всякой пользы. Перестроить резонатор на частоту, соответствующую другому «сорту» молекул? Но тогда они начнут генерировать новую частоту, а генерация прежней частоты прекратится. Как же использовать пропадающие зря молекулы? Что… если поставить один за другим два резонатора и каждый настроить на свой «сорт» молекул? И Галя заставила прибор излучать сразу две стабильные частоты. Это было неожиданно и ново. Как это скажется на качестве работы молекулярного генератора?

Галя не успела довести проверку до конца, как стало известно, что за океаном ученые тоже построили молекулярный генератор с двумя резонаторами. Это были А. Джаван и Т. Ванг, сотрудники Таунса, и работавший независимо от них В. Хига. Однако они настраивали оба резонатора на одну и ту же частоту. Трудно сказать, какую цель они преследовали. Ведь в соответствии с существовавшей в то время теорией пучок активных молекул должен был уже в первом резонаторе излучить всю энергию, которую он мог отдать. Может быть, именно это и думали проверить ученые? Впрочем, Хига хотел испытать двухрезонаторный прибор и в качестве усилителя. Он добивался таких условий, когда генерация в первом резонаторе еще не наступала, и тут вводил в него извне слабый сигнал. Слабую радиоволну, которую хотел усилить. И действительно, этот сигнал действовал на переполненные до краев энергией молекулы, как хлыст, и они отдавали радиоволне все свои энергетические избытки — волна за их счет усиливалась.

Этот опыт открыл новые детали в поведении двухрезонаторного генератора. Когда внешнего сигнала не было, никаких колебаний ни в первом, ни во втором резонаторах не возникало. Это, однако, ни в коей мере не могло удивить ученых. Поразительным оказалось другое.

Заставив пучок генерировать в первом резонаторе, обе группы ученых обнаружили во втором колебания на той же частоте и почти столь же сильные, как в первом! Но второй-то был настроен на другую, хотя и близкую частоту… В чем же дело? Теория не только не могла этого объяснить, но полностью противоречила такой возможности. На этом сюрпризы не кончились.

В обычном однорезонаторном генераторе частота колебаний, хотя и слабо, зависела от настройки резонатора. В двухрезонаторном приборе от настройки первого резонатора зависела не только частота генерации в нем самом, но и частота колебаний во втором резонаторе! Вскоре обнаружился еще более невероятный факт. Частота колебаний во втором резонаторе совсем не зависела от его собственной настройки — к всеобщему изумлению, она в точности следила за настройкой первого. Это уж никак не согласовывалось с формулами. Созданные в соответствии со строгой теорией приборы начинали жить своей собственной жизнью, озадачивая ученых все новыми и новыми сюрпризами.

В дополнение ко всем неожиданностям, в момент, когда первый резонатор оказывался расстроенным так сильно, что колебания в нем прекращались, колебания во втором продолжались как ни в чем не бывало. Они лишь скачком меняли свою частоту, подлаживаясь теперь уже под настройку не первого, а своего собственного резонатора. Как бы потеряв одного хозяина, они прислушивались к другому.

Можно только удивляться, почему столь неожиданные наблюдения не вызвали большого интереса и лавины исследований. Лишь через год В. Велс попытался объяснить, как это все происходит, а еще через два года Ф. Редер и С. Бикарт повторили эти опыты, допустив, впрочем, некоторые ошибки в своих наблюдениях.

Прошло еще около двух лет, и загадкой двухрезонаторного генератора увлеклись Басов и его сотрудники. Задачу атаковали сразу с двух сторон. Теорию разрабатывал А. Н. Ораевский, бывший дипломник, а в то время

аспирант Басова. Наблюдения проводил опытный экспериментатор, в то время кандидат, а потом доктор физико-математических наук Г. М. Страховский со своими аспирантами.

Страховский принадлежит к старшему поколению. Он, пожалуй, ровесник Прохорова. И не уступает ему в росте. Статная фигура спортсмена. Твердая рука. Острый взгляд следопыта, следопыта науки.

Увидев Ораевского впервые и еще не зная, с кем имею дело, я сразу подумала: о, это теоретик! Спокойное, задумчивое выражение лица. Глубокие глаза. Скупые, почти ленивые движения. У доски он преображается. Пишет и орудует тряпкой очень быстро, хотя говорит медленно, четко произнося каждое слово. Кажется, он хочет вбить его в вашу память. Так было, когда к доске выходил дипломник, таков и доктор физико-математических наук.

Он слывет среди физиков глубоким теоретиком. Я думала, что он кончил Московский университет. Там готовят хороших теоретиков. Оказывается, он из Физтеха, как коротко называют Физико-технический институт в Долгопрудной, где физики получают самую серьезную и разностороннюю подготовку. И Ораевский кончал вовсе не как теоретик. В дипломе у него значится «инженер-физик». Только в лаборатории Басова он специализировался в теории, сделал диссертацию по квантовым генераторам, много красивых расчетов по стандартам частоты, по лазерам. Ораевский всегда в центре интересов лаборатории. И вообще особенность теоретиков, работающих с Басовым, в том, что они всегда в лаборатории. Везде теоретики трудятся дома — так, я знаю, принято и у математиков Боголюбова и у учеников Ландау. Басовцы на своих местах с девяти до девяти. Они все время в гуще событий. Экспериментаторы просят что-то рассчитать, дать рецепт технологам, подсчитать примеси, температурные режимы, прикинуть напряжения и токи в схемах. Теоретики здесь нарасхват.

Дружный натиск дал свои плоды. И надо сказать, плоды неожиданные. Читая статьи того времени, я освоилась с мыслью, что пучок активных молекул способен отдать первому резонатору не больше и не меньше, чем половину энергии, запасенной молекулами того «сорта», на частоту которых настроен резонатор. Но когда Басов читал это место в рукописи, он подумал, а потом загадочно сказал: — Может, и больше…

Значит ли это, что прежний расчет его не удовлетворяет? Сомнение положило начало новым раздумьям, которые прояснили непонятное поведение молекул. Более подробное исследование дало неожиданный результат. Оказывается, под действием электромагнитного поля первого резонатора молекулы начинают вести себя совсем по-новому — они образуют своеобразный коллектив. И этот коллектив бдительно контролирует все акты испускания и поглощения фотона отдельной молекулой. Причем коллектив отдает предпочтение или, можно даже сказать, поощряет акты испускания фотонов и как бы подавляет акты поглощения!

Кстати, возможность такого коллективного состояния молекул еще раньше, без всякой связи с молекулярным генератором, предсказал американский ученый Р. Дики. Он назвал это состояние сверхизлучающим, так как стремление к излучению при этом зависит не от числа молекул, а от квадрата их числа, то есть растет очень быстро.

Молекулы, находящиеся в сверхизлучающем состоянии, могут излучать до тех пор, пока пучок не излучит всей запасенной в нем энергии! Такое излучение может наблюдаться и при полете молекул в свободном пространстве, только при этом оно будет происходить медленно. Если же пучок молекул, приведенный в сверхизлучающее состояние в первом резонаторе, попадет во второй резонатор, настроенный на подходящую частоту, то сверхизлучение произойдет очень интенсивно. При этом пучок коллективизировавшихся молекул снова излучит ровно столько же, сколько он уже излучил в первом резонаторе, то есть вторую половину первоначально запасенной в нем энергии.

После этих работ стало ясно, что двухрезонаторный молекулярный генератор обладает преимуществом перед обычным молекулярным генератором.

Ведь несмотря на то, что свойства самих молекул чрезвычайно неизменны, частота колебаний молекулярного генератора была далеко не так стабильна, как этого ожидали его создатели. Оказалось, что она определяется не только свойствами молекул, но и настройкой резонатора. А настройка резонатора, к сожалению, не остается постоянной.

Если зимой в лаборатории открывают окна, одним из первых замечает это резонатор и расстраивается. Конечно, его можно держать в теплице, как огуречную рассаду зимой. Для этого существуют термостаты. Но это уже лишние заботы. Можно поступить и иначе. Соорудить резонатор из особого материала, инвара, который слабо реагирует на изменение температуры. Так конструкторы и поступают. И все же полностью изолировать резонатор от внешнего мира нельзя. Ведь молекулярный генератор и создан для того, чтобы транслировать свою «радиопередачу» во внешний мир. И хочешь не хочешь, а через тот же волновод, по которому энергия молекулярного генератора передается потребителю, внешний мир влияет на него, на настройку его резонатора, генерируемую частоту.

Инженеры, естественно, стараются уменьшить этот вредный эффект, ставят специальные развязки, через которые электромагнитная волна способна проходить только в одну сторону и не может пройти в обратную. Однако такие развязки не идеальны. Они уменьшают влияние внешнего мира на резонатор молекулярного генератора, но не изолируют его полностью.

Конечно, читателю уже давно стало ясно, как двухрезонаторный молекулярный генератор помогает справляться с этой трудностью. Ведь в таком генераторе частота зависит только от первого резонатора, а сигнал берется от второго, никак не влияющего на частоту. При этом к первому резонатору не присоединяется никакой волновод. Он в электрическом отношении совершенно изолирован от внешнего мира. Это особенно важно для генераторов, подверженных тряске, вызывающей неизбежные деформации волноводов. Исследования двухрезонаторного молекулярного генератора, проведенные в Физическом институте АН СССР, были вскоре подтверждены работой английских физиков. Но это было лишь одно из направлений развития новой области науки. Впрочем, было бы удивительно, если бы все ограничились одним направлением!

Вскоре после работ Басова и Прохорова молекулярные генераторы заработали в Харьковском институте мер и измерительных приборов, где их применили для периодической проверки кварцевых часов, в Горьковском университете и в других местах Советского Союза.